长距离输水系统非满管运行时的充水对策措施

刘 伟

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

进入21世纪以来，我国经济高速发展，各行各业对水资源的需求也逐渐加大，特别是在水资源时空分布不均的地区，我国正在进行各种大型引调水工程建设，通过引调水工程优化局部地区水资源配置，为经济建设提供强有力的保障，然而，长距离有压输水管道在建成后运行管理仍存在一定问题。

长距离输水管道在建设过程中不可避免地形变化的问题，导致管线建设成多个连续的U型或W型曲折管段。在建设成或检修后，运行中需对管道进行充水，在充水的过程中存在瞬变流、容易发生水锤。目前，已对这些问题进行了大量研究，如王福军等[1]研究了大型管道输水系统充水过程瞬变流；穆祥鹏等[2]比较复杂输水系统水力过渡的数值方法；黄玉毅等[3]、郭晓朦等[4]、王俊[5]、朱满林等[6]研究长距离压力输水工程中的水击等水力现象；赵向军[7]研究发现，工程实际证明充水过程控制不当，会产生水锤、断流弥合水锤、管道气堵、气爆等严重危害；齐向南等[8]研究发现，当发生水力过渡时，整个输水管路系统中水压普遍剧降，在这些驼峰位置，一旦管路中压强急剧下降至当时水温的汽化压以下，液态水将发生汽化，管道中水流的连续性遭到破坏，造成水柱分离，当分离开的两水柱重新弥合时，如排气过快将会形成弥合水锤。另外，在由低地势向高地势供水时，采用水泵向管道充水更为复杂，除管道冲刷、瞬变流及水锤外，还需保证水泵运行的安全平稳，如有操作误差就会导致水泵正常运行的失败，甚至会损坏水泵及供水系统。

目前，国内外对长距离输水管道充水过程中的瞬变流、水柱分离及水锤等理论分析及研究较多，而在管道充水运行操作过程中，关于解决这些问题的应对措施的研究较少。本文针对管道充水过程中存在的冲刷、水锤等问题提出相应的解决措施，为类似工程的建设、运行及管理提供经验，也为本工程生产运行后检修、维护重新充水工作提供借鉴。

1 工程概况

1.1 G输水工程

G输水工程位于我国西北地区乌鲁木齐市，设计输水流量为40万m3/d。水厂至中途泵站的长度为29.4 km，利用水泵向高差为155 m的高地供水，采用2根DN1800钢管输水。中途泵站至末端泵站的长度为50 km，利用水泵向高差为130 m高地供水，采用1根DN1400球墨铸铁管输水。过障碍位置采用钢管，全线每4 km设置1处检修阀，在隆起点设置排气阀。该工程输水管线如图1所示，由水厂至中途泵站及中途泵站至末端泵站均采用高扬程水泵进行输水，输水管线沿途地势平缓上升，仅局部存在U型曲折管段。

图1 G输水工程管线布置Fig.1 Layout of G Water Diversion Project Pipelines

1.2 L输水工程

L输水工程位于我国西北地区乌鲁木齐市，设计输水流量为20万m3/d。水厂至A水池管理站的长度为30 km，利用115 m的落差重力输水，采用2根DN1200球墨铸铁管输水，过障碍位置采用钢管。A水池管理站至B水池管理站的长度为14 km，利用202 m的落差重力输水，采用1根DN1000球墨铸铁管输水，过障碍位置采用钢管，全线每4 km设置1处检修阀，在隆起点设置排气阀。该工程输水管线如图2所示，由水厂至A、B水池管理站均采用重力输水，输水管线沿途需攀爬高差为40 m的山坡、跨越多道冲沟，整个输水管线类似于波浪状。

图2 L输水工程管线布置Fig.2 Layout of L Water Diversion Project Pipelines

2 充水方案应对措施分析

2.1 工程设计分析

2.1.1 充水条件及方式总述

在长距离输水管道建成后，首次运行或检修后启动运行时，先要对管道充水并充满，管道充满后整个供水系统即可正常运行。但管道在建设过程中随地形敷设，因此，地形变幅较大时充水速度较难控制，充水速度过快时容易产生气堵(图3)，甚至伴随管道负压和水柱分离等现象(图4)。为防止出现上述现象，管道充水速度需得到控制，充水流速在0.3 m/s左右，最大充水流速为0.6 m/s[9]。管道沿线应适当设置排气阀，减少或避免管道负压的发生。另外，充水速度不宜太低，太低的充水速度排不出管道的存气，不利于管道排气，也会导致充水时间过长。

图3 管道充水过程及空气阀排气Fig.3 Pipes Water Filling Process and Air Valve Venting

图4 水柱分析与断流弥合Fig.4 Water Column Analysis and Cut-Off Close

长距离输水管道供水方式主要分为两种，一种采用水泵由地势低向地势高区域供水，另一种采用重力由地势高向地势低区域供水。因此，输水管道在建成后充水方式通常可有水池重力充水和水泵充水。重力充水时需控制出流流量，同时，还需控制管道沿线高低起伏处的充水流量。除需满足重力充水的条件外，水泵充水还应控制水泵运行工况，避免水泵过载等损坏水泵的情况。

本文分别以G输水工程水厂至中途泵站水泵充水控制及L输水工程水厂至A水池管理站管道沿线充水控制为例作出分析。

2.1.2 G工程水泵充水方案设计分析

为控制G输水工程出厂水及管道沿线的充水流量，在检修阀门主管道一侧设置旁通管并配套减压孔板及控制阀门(图5)。

图5 充水阀门布置Fig.5 Layout of Water Filling Valve

旁通管管径根据主管进水流速进行设计，本工程主管道充水流速取0.3 m/s，旁通管管道流速按不超过3 m/s计，则不同主管管径对应旁通管管径如表1所示。

表1 不同主管管径下旁通管管径Tab.1 Bypass Pipe Diameter under Different Main Pipe Diameters

G输水工程主管管径为1 800 mm，则旁通管管径为600 mm。在旁通管上再设置减压孔板，以达到有效控制充水流量的目的。减压孔板的水头损失，计算如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

其中：Hk——减压孔板的水头损失，m；

Vk——减压孔板后管道内水的平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

ζ1——减压孔板的局部阻力系数；

dk——减压孔板孔口的计算内径；取值应按减压孔板孔口直径减去1 mm确定，m；

d1——管道的内径，m。

G输水工程水厂二级泵房内最小单泵流量为2 200 m3/h，扬程为158 m，选择水泵型号绘制水泵特性曲线，水泵运行的最大流量为2 747 m3/h，对应扬程为135 m，此时，采用减压孔板限制水泵继续增加流量以避免水泵损坏，并绘制出管道空管时的管路特性曲线和管道充满后的管路特性曲线(图6)，以确定水泵最小流量。

图6 水泵特性曲线及管道空管、满管的管路特性曲线Fig.6 Characteristic Curve of Pumps and Empty/Full Pipelines

如图6所示，当管道充满水后，水泵通过减压孔板的限制出水最小流量为1 200 m3/h，对应扬程为180 m，则水泵在减压孔板的限制下，水泵的流量为1 200～2 747 m3/h，对应扬程为180～135 m。

为保证G输水工程水厂的二级泵房水泵平稳充水，则设置的减压孔板需减压Hk1=135 m，Vk1=2.7 m/s，d11=0.6 m。利用式(1)～式(2)确定dk1=0.174 m，考虑到单孔过流的不均匀性，本工程按照开孔总面积在减压孔板上均匀开孔(图7)。在减压孔板下游侧，孔将被加宽，呈斜角的形状，以减小气蚀。

图7 减压孔板开孔分布Fig.7 Pressure-Relief-Orifice Plate Tapping Distribution

G输水工程采用水泵进行充水，本文仅介绍该工程的水泵出口流量控制及避免水泵过载的控制方案，对于输水管线沿线的充水控制，可参照L输水工程管线沿线充水控制方案进行设计。

2.1.3 L工程充水方案设计分析

L输水工程水厂至A水池管理站管线总长度为30 km，管径为DN1200，该段管线位于山区内，管线蜿蜒曲折，水厂至A水池管理站管线纵向剖面如图8所示，总体由地势高向地势低处敷设，中间不断有高低起伏。

图8 L输水工程水厂至A水池管理站管线纵向剖面Fig.8 Longitudinal Section Pipelines from L Water Diversion Project Plant to A Pool Station

本工程结合每4 km设置的检修阀，在检修阀处设置旁通管路系统，控制由高差导致的流速增加的问题，另外，在管线敷设坡度较大的管段位置增设检修阀及旁通管路系统，避免该段管道长时间的冲刷。由表1可知，本工程主管为DN1200检修阀处应设置DN400旁通管路系统。为满足本工程选用减压孔板开孔的需求，该段管线根据式(1)～式(2)计算孔板消耗不同水损需要的开孔面积，计算结果如表2所示。

由表2可知，可在选定的检修阀位置消减相应的高差，并选定相应的减压孔的开孔面积，减压孔板可进行相应的开孔设计，开孔分布可按图7进行设计。

表2 消耗不同水头损失下的减压孔板计算Tab.2 Calculation of Pressure-Relief-Orifice Plate under Different Head Loss

L输水工程为重力供水，出口流量较为容易控制，因此，本文针对于L输水工程仅介绍管线沿线充水方案。

2.2 工程充水方案

2.2.1 G工程

由上述分析可知， G输水工程为水泵提升输水工程。由表1可知，在水厂泵房出水主管上设置DN600旁通管路系统，并设置减压孔板，在首次充水时保护水泵正常运行，并控制首次充水流量。同时，在管道坡度变化较大的适当位置设置检修阀及旁通管路系统。根据消耗不同的水损，设置不同的减压孔板，以满足在非满管情况下主管流速不大于0.3 m/s的条件，并在旁通管上设置阀门，便于充水及正常运行状态之间切换。首次充水时关闭检修主阀，打开旁通阀，待整个管道系统充满水后，打开主管阀门关闭旁通管路系统，使整个输水系统处于正常运行状态。

2.2.2 L工程

L输水工程为水池重力输水工程，在厂区出水管设置电动阀控制出水流量，使主管满管时流速不大于0.3 m/s。同时，在管路沿线设置同G输水工程相同的充水管路系统，保证输水管路系统在充水时的系统安全。

3 结论

(1)本工程充水方案能限制主管路系统充水流速在0.3 m/s及以下，可有效降低或避免由于充水过快导致水锤、管道冲刷及爆管等现象，保障输水管路系统在启动运行时的安全。

(2)本工程设置的减压孔板可避免水泵在启动充水时过载运行，保护水泵安全运行。

(3)本工程充水方案为长距离输水管道充水提供了有效控制措施，降低管道运行管理难度，提高管理单位工作效率。本文相关的研究成果为长距离输水系统中的非满管时的管理运行提供技术参考。