胡耀谱,刘 玲,曾云峰
(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010; 2.四川水利职业技术学院,四川 崇州 611213)
四川山区地形复杂,山地较多,包裹盆地,水资源时空分配不均,很多地区缺水严重,不能满足当地经济的发展和人民生活水平的不断提高,因此,必须建立切实可用的供水工程,以缓解水资源供需不足的问题,解决城镇发展对水的需求。工程实践得知,将淹没式调流阀用于大落差重力流供水管道分级减压,能有效确保供水的安全性和可靠性,是行之有效的控流减压供水措施。
乐山市某县城供水工程,包括取水工程、输水管道、净水厂和供水管道等4部分,水厂总供水规模1.2万m3/d,供水管道起端接净水厂清水池,容积1 800 m3,末端接入县城400 m3高位水池,管道桩号K0+000～K4+276.97,管道长4.277 km,流量0.208 m3/s,供水主管采用单根D426×9 mm螺旋焊接钢管,管道首尾水池落差760 m。
供水主管首末两端落差高达760 m,必须采取分级减压消能方式,每级减压100 m左右。根据同类工程经验,可以在每段管道末端设闸阀和消能设施,将各段管道所承受的最大静水头转为相邻设施间形成的最大地形差,通过分级消能方式减小了管道工作压力。与此同时,因管道设计糙率与实际糙率的不同而产生的剩余水头也可通过减压设施来减小或消除[1]。常用的管道减压设施有减压池、减压阀、调流阀。
2.1 减压池
减压池为钢筋混凝土结构,通过管道将高压水引入水池内,强烈冲击到水池底部(可在池底增设防冲措施),使水流与池底、内壁激烈碰撞,翻滚,消除绝大部分能量后再从出水管排走。优点是基本消除管道自由水头,减压效果明显,水锤波也被减压池隔断,水池前后管道水压互不影响;缺点是难以控制管道中的高压水流,实施中会造成自来水的浪费,多级减压模式下,流量更难同用户需求相匹配。典型减压池结构见图1。
图1 减压池结构
2.2 减压阀
减压阀按作用分为定压式和比例式[2],定压减压阀的特点是进口端压力和流量发生变化时,出口端的压力保持在设定的压力值;比例式减压工作原理是利用阀体中浮动活塞的水压比来进行控制,其特点是进出口端减压比与进出口侧活塞面积比成反比。为了满足大落差输水管道中不同用水点的水压要求,一般采用既能减小动压又能减小静压,且能稳压的定压式减压阀。
定压式减压阀的优点总结如下：①减压效果好;②能够控制流量;③阀门造价较低;④管道封闭性好,不会影响水质。缺点如下：①水锤防护效果较差,管道承压等级要求高;②安全性低,对减压阀质量要求高;③管道存在气蚀现象,运行时存在噪音和振动。
2.3 调流阀
本工程选用的淹没式多喷孔调流阀[3],将消能和闸阀控制功能合二为一,兼具减压池消能和减压阀控制流量的优点,安装示意见图2。压力水通过喷孔以高速水流喷出,水流在水池中碰撞消能,通过动力驱动外筒上下移动控制内筒射流孔数,可达到调节流量的目的。
图2 淹没式多喷孔调流阀安装示意
多喷孔淹没式调流阀优点如下：①多喷孔淹没式流量调节阀在高压差和高、低流量下,不产生气蚀破坏和振动;②阀门开度和流量关系呈线性,可以精确地调节流量,调流区间大;③使用寿命可达30年以上,维护成本低;④阀门操作力小,可以多种方式驱动,如电力、液压等,适应性好;⑤消能、减压范围广。缺点主要是造价高、适用于清水消能,当用于配水管时,需根据水质情况二次加氯。
本工程供水管道需要适应自来水系统的日高峰和月高峰供水量,管道中流量波动大,这就要求有灵活可靠的流量、压力调节控制系统来实现有效控制,简单采用减压池减压会造成自来水的浪费,且供水系统不稳定。若采用减压阀,当遭遇上游减压阀失效工况,将无法保证减压能力,此时需要消减的压力会超过下游减压阀的能力,导致下游减压阀关闭或损坏。因此,下游减压阀阀前管段、阀门和管道附属建筑物的承压需要按照未减压时的全线静压进行设计,否则,上游减压阀损坏失效时,下游管道压力陡增,如果承压能力不够,将导致爆管事故,若全线管道承压能力均按未减压时静压的1.2倍进行设计,那么管道末端承压将会高达9.0 MPa,安全风险难以承受。
减压方案确定过程中,也分析了减压阀和淹没式多喷孔调流阀间隔布置方式,但考虑到供水管道管径较大、每级减压阀需要削减能量较大,将导致减压阀使用寿命缩短,同时,为保证供水系统的安全可靠,每处减压阀还需一用一备并联布置,后期更换维护代价高。
经过综合比选,结合业主和阀门厂家建议,最终选用管道全线均采用淹没式多喷孔调流阀减压,将调流阀与减压池结合。若调流阀失效,富余水压在减压池内消减,不会继续向下游传递,有效保证了管线安全,此方案下的管道水压基本控制在1.2 MPa左右。因调流阀沿线电力不稳定,故全部阀门全部采用水力控制,减压设施自2022年投入运行以来,未发生任何故障,运行稳定可靠。
3.1 管道水力计算
结合工程地形、周边环境、分水口布置情况,分别在桩号K0+487.64、K1+347.64、K1+952.81、K2+488.43、K2+892.22、K3+289.53、K4+127.55设置调流阀。全段管线最大静水压力控制在1.2 MPa。该方案可大幅度降低管道正常运行时各种不同工况下的动水、静水压力,使管道压力满足安全运行的要求。采用海曾威廉公式计算,管材粗糙系数Ch取130,管道纵断面及水压线成果见图3,因管道分段长度较短,减压后的静压值和动压值相差很小,最大静压为1.28 MPa。
图3 输水管分段减压示意
3.2 水锤分析
水锤的本质是水流动量变化引起水压急剧上升或下降,水流单位时间内动量变化越大,水压冲击波越大;动量变化的根源是管中流速改变,流速改变的快慢与关阀时间有关。本工程管道设计流量Q=0.208 m3/s,选取其中三段代表性的管道进行水锤压力复核计算：管段一：L=0.86 km,静水头H=103.4 m,管径0.4 m;管段二：L=0.84 km,静水头H=122.9 m,管径0.4 m;管段三：L=0.54 km,静水头H=128．3 m,管径0.4 m。
采用管道输水工程技术中的水击压力公式计算水锤[4]。
式中,C为水锤波波速,m/s;d为管径,m;e为管壁厚度,m;K为水的体积弹性模数,kN/m2;E为管材纵向弹性模数,kN/m2,钢管时,K/E=0.01;Tt为水锤相,s;L为计算管段长度,m;Hi为间接水锤水头,m(关阀为正,开阀为负);V0为阀门前水的流速,m/s;Tg为关阀时间,s;g为重力加速度。需要注意的是,通过控制关阀时间大于水锤相,则不产生直接水锤。
经计算,管道水锤压力与管段末端关阀时间关系如表1所示。
表1 水锤压力计算结果
计算结果表明,水锤压力与阀门关闭时间和管道长度有关,而与管道静水头无关,关闭时间越长,水锤压力越小,管道长度越短,水锤压力越小。本工程属于短管,关阀时间控制在30 s即可将水锤压力控制在静水头的10%以内,厂家将调流阀关阀时间设置为60 s,可以使水锤压力低于5 m,保障安全运行。
淹没式多喷孔调流阀应用于大落差重力流供水管道,文章中研究的分级减压方法是在长期工程设计和实践中总结的经验,在保证输供水顺利实施性的前提下,可以有效降低管道的静水压和动水压,调节管道流量,并将水锤压力在调节池中释放,降低水锤压力影响,确保管道安全运行,尤其适用于大流量、高精度、大落差的管道流量调节。为大落差重力流供水提供了宝贵的工程经验,可供类似工程设计和实施参考。
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