高扬程远距离供水安全关键技术研究

牟声远

摘 要：近年来，国家加大农村饮水解困工程建设，改善了农村饮水困难问题，但在工程建设中，对于不同地区不同类型的供水工程，因地制宜、利用新技术新设备，探求经济安全、便于管理的供水工程技术具有重要的现实意义。本文结合陕西省山阳县天竺山供水工程高扬程、远距离、小流量的特点，对其关键技术，主要包括：水源选择，新型泵的选择，经济管径的确定，自动化控制等进行研究，采用特种柱塞泵及自动化控制技术，以最少投资、方便管理实现安全供水之目标。

关键词：供水安全;高扬程;水力计算;自动化控制

中图分类号： S277.7            文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2017）01-155-2

1  工程概况

山阳县天竺山森林公园位于县城东南30km的鹘岭以南，郧岭以北，东西长约40km，南北宽约25km，总面积1058hm2，最高海拔2074.4m，最低海拔1225m，森林覆盖率88%。据县旅游局提供，大顶接待游客预测最高日为20000人，其中用餐人数为5000人/日，供水量50m3/d。通过实地勘测和调查，天竺山山坡非常陡，山顶及山坡没有充足供水水源，依靠集雨供水，集流一则没有适当的地形、地质条件，二则还需要砍伐松林，且投资大，所以只有利用天竺山坡脚的长沟地表水源，该沟在七里峡入口前的阴坡，沟内常年流水，从来未断流，实测最小流量为20L/s，距天竺山森林公园约10km，高差约1330m，水量和水质满足供水要求。故计划在七里峡入口前的阴坡沟口建一级加压站，在站前距沟口30m处设渗渠取水，取水高程720.0m，沟泉水经侧向滤池进入集水室，再经DN110PE管流入柱塞泵吸水口，经加压，通过高压输水管道将水送至山顶高位蓄水池。

2  选泵

由于旅游区用水时间多集中在白天，而且5000人用水时间基本上集中在11：00～16：00时的5个小时之内，由于泵站扬程高，供水量小，若采取多级供水，不仅工程投资大，建设难度大，而且管理也很复杂，故计划采用以下三种一级供水方案。

方案一： 24小时供水，泵站设计流量：Q=50m3/24h=2.08m3/h;方案二：21小时供水，泵站设计流量：Q=50m3/21h=2.38 m3/h;方案三：16小时供水，泵站设计流量：Q=50m3/16h=3.13m3/h。

根据宝鸡航天动力泵业有限公司及天津海盛泵业公司提供工业用高压柱塞泵特性，并根据本工程高扬程的特点，三种方案选择泵型如下：方案一：宝鸡航天动力泵业的3DS18.5（22MPa，2.1m3/ h，18.5kW）两台，一用一备;方案二：天津海盛泵业的3D1-SZ-40/20（20MPa，2.4m3/h，18.5kW）两台，一用一备;方案三：宝鸡航天动力泵业的3DS22（22MPa，3.1m3/h，22kW）两台，一用一备。

3  管道最优化计算

压力水管直径的选择是一个动能经济比较问题：当增大直径时，水管造价亦随之增加，但其流速减小，水头损失引起的电能损失也可以小一些;反之，当减小直径，造价虽然降低，但其流速增大，损失的电能就要多一些。而目前计算管道经济直径的公式都不是针对本工程的，很难达到最优，对于高扬程、长距离本供水工程而言，一些经验性指标的微小变化，也会产生很大的差异[1，2]，因此，管径问题已成为其关键问题。

压力钢管的主要荷载是内水压力，由它在管壁中所形成的环拉应力是控制壁厚的主要因素。根据工业工程管道设计规范，管壁厚度可按如下公式初选[3]：

t=（cm）              （1）

式中：p为内水压强p=9.81H（103Pa）;D为管内径（cm）;[σ]为钢材允许应力，取[σ]=164.0 MPa;φ为焊接系数，取0.9（单面对焊接）和0.95（双面对接焊）。

其中：作用水头H=△H+hf

式中：H为作用水头（m）;△H为高差;hf为沿程损失水头。

hf= （2）

其中：v为流速，v=Q/S=4Q/πD2，其中，Q为流量;n为粗糙系数（钢管中等粗糙系数为0.0125）;R为断面水力半径（m），R=D/4;C为谢才系数，C=R1/6/n;所以：

hf== （3）

要使钢管重量最小，则应使钢管截面面积最小，其截面面积A=πDt           （4）

代入得：A= （5）

为求极小值，需两边对D求导，并令其为零，则得：

=

=0

即：D=（）  （6）

公式（6）即为压力水管的经济直径计算公式。

3.1 管内径计算

陕西省山阳县天竺山供水工程高差约为1330m，输水距离大l=10000m，其中糙率系数n取0.0125，按以上初选三种方案分别计算。方案一流量Q=2.1m3/h，方案二流量Q=2.4m3/h，方案三流量Q=3.1m3/h，根据公式（6）计算管内径如下：

D24=（）

=0.030m=30mm

D21=（）

=0.031m=31mm

D16=（）

=0.034m=34mm

根据计算，工况一时，管的内径选30mm;工况二时，管的内径选择32mm;工况三时，管的内径选34mm。

3.2 水头损失计算

根据公式（3），24小时工作时：

hf==726m

21小时工作时：

hf==672m

16小时工作时：

hf==811m

3.3 管道壁厚计算

根据公式（1），24小时工作时：

t==0.0019

21小时工作时：

t==0.0020

16小时工作时：

t==0.0023

考虑到钢管再运行中的锈蚀与磨损，对所计算得的管壁厚度增加1～2mm的锈蚀裕量，因此，三种方案均取壁厚为4mm。

3.4 流速计算

根据公式：v=Q/S=4Q/πD2得：

v24==0.83m/s

v21==0.83m/s

v16==0.95m/s

3.5 泵压力较核

三种方案水泵压力分别为22MPa，20MPa和22MPa。

P24=9.81×（1330+726）×103=20.2MPa<22MPa

P21=9.81×（1330+672）×103=19.6MPa<20MPa

P16=9.81×（1330+811）×103=21.0MPa<22MPa

因此三种方案所选泵型扬程满足要求。

3.6 三种方案比较

[工作时间＼&24小时＼&21小时＼&16小时＼&泵型

泵压力

流量（m3/h）

流速（m/s）

泵功率

管外径

壁厚＼&3DS18.5

22MPa

2.1

0.83

18.5kW

38 mm

4 mm＼&3D1-SZ

20MPa

2.4

0.83

18.5kW

40 mm

4 mm＼&3DS22

22MPa

3.1

0.95

22kW

42 mm

4 mm＼&]

从各种指标来看，方案一功率小，管径小，一次投资小，但设备运行时间长，方案三功率大，管径大，投资大。通过概算，三种方案工程静态总投资分别为92.35万元、89.29万元和97.05万元。因此，综合来看，推荐方案二（21小时工作），即柱塞泵使用天津海盛泵业公司提供的（3D1-SZ-40/20），钢管选择40×4无缝钢管。

4  远程供水监控系统

由于山坡陡峭，交通不变，为了提高管理水平且省电，拟采用自动化控制。远程供水监控系统一般监控距离在5公里以上，监控系统包括远程通讯系统、数据在线监测系统和远程控制系统三部分。由于有线方式采用光纤通讯，费用太高，设备有效利用率也低，因而采用无线通讯较好，费用低、安装、调试、维修也方便。

高位蓄水池设置上下限水位，由水位传感器提供信号，各种设备同步工作，图1～图5为控制原理图。

<E：＼123＼中小企业管理与科技·上旬刊201701＼1-197＼7-1.jpg>

图1  系统供水远程监控原理图

<E：＼123＼中小企业管理与科技·上旬刊201701＼1-197＼7-2.jpg>

图2  系统供水远程监控拓朴图

<E：＼123＼中小企业管理与科技·上旬刊201701＼1-197＼7-3.jpg>

图3  系统结构图

<E：＼123＼中小企业管理与科技·上旬刊201701＼1-197＼7-4.jpg>

图4  数据采集系统接线图

<E：＼123＼中小企业管理与科技·上旬刊201701＼1-197＼7-5.jpg>

图5  水泵控制系统接线图

5  结束语

陕西省山阳县天竺山供水工程具有高扬程、长距离输送的特点，本供水工程采用的方案主要关键技术包括：水源选择，特种柱塞泵选择，最优管径，自动化控制等。本文针对这些问题进行研究，为同类型农村供水工程提供参考。

参 考 文 献

[1] 刘玉忠，付艳锋.农村饮水安全工程设计要点探讨[J]. 河南水利与南水北调，2008（3）：12～13.

[2] 张大伟，董玉良，綦山.农村饮水工程管道设计及材料选定[J].黑龙江水利科技，2004（3）：34～35.

[3] 金钟元，伏义淑.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，1994.