河段生态补水输水管线方案KYPipe水力论证比选

蒋卫明，文杨发

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

1 工程概况

遵义市湘江上游河段生态补水工程位于贵州省遵义市中心城区东北面，地处湘江左岸支流仁江鱼剑滩河段。湘江上游河段生态补水四面山泵站主要任务是向高坪河补最小1.14 m3/s的水量，以改善高坪河、干溪河及湘江干流河段的水质，提升湘江沿岸居民生活品质。工程拟建一座泵站利用3根DN700水泵进水支管，从仁江河取水经3根DN700水泵出水支管汇总至1根DN1100、长431 m的上水钢管提至泵站站址旁山头上的中转上水池，再经DN1100、长10.68 km的球墨铸铁输水管重力自流至北关水库，最后经水库调蓄后下放至高坪河、干溪河及湘江干流河段，实现生态补水。泵站设计提水流量为1.0 m3/s，设计装置扬程为146.01 m，3台卧式双吸离心泵(2用1备)，总装机功率3 360 kW，工频运行。

四面山泵站属于大流量长距离高扬程泵站，在事故停泵时极易发生断流弥合水锤，对泵站设备和运行人员的安全造成极大危险[1-2]。结合工程地形地貌及地质条件，四面山泵站至北关水库的输水管线拟定两种方案进行比选，即方案一为一站式提水，通过水泵从仁江河内取水并直接提水至北关水库进行补水；方案二为中转上水池提水，在泵站站址附近合适的地形条件处修建中转上水池，通过水泵提水至中转上水池，经重力自流至北关水库。为确保四面山泵站高扬程、长距离输水管线具有较高的运行安全性及技术经济性，采用KYPipe Surge2010水力分析软件对两种管线方案下的水力过渡过程进行模拟仿真，优选水锤防护安全经济性较优的方案，为工程建设顺利实施提供有力的技术保障。

2 输水管线过渡过程仿真分析

2.1 水泵选型

根据泵站设计提水流量和设计装置扬程确定两种管线方案的特性参数，见表1。

表1 两种管线方案特性参数

从表1可以看出，两种管线方案中水泵设计装置扬程仅相差1.69 m，而设计提水流量及台数均一致，故最终对应的水泵型号一致，选择与工程实际匹配性较好的KQSN400-N6W/724型卧式双吸离心泵，水泵设计流量为1 798 m3/h，设计扬程为150 m，额定转速为1 480 r/min，配套电机功率为1 120 kW。

2.2 水力过渡过程模拟仿真

《泵站设计规范》(GB 50265-2010)中明确要求，发生事故停泵时，应满足水泵最高反转转速Nmax≤1.2倍额定转速Ne；最高压力Pmax≤1.3～1.5倍水泵出口额定压力Pe；管道任何部位不会出现水柱断裂等要求。如不能满足要求，则应采取对应的水锤防护措施[3-5]。

2.2.1 一站式提水方案

1) 稳态过程分析。通过软件KYPipe模拟计算，在稳态运行时，因一站式提水方案中泵站上水管线最高点不在末端，而在管线桩号上9+999.42～上10+266.65间的管段。水泵将水提至该桩号以后，为防止在最高点处出现水柱拉断现象，需在上水管末端出口前出设置一个DN1100可调节开度的电动闸阀。经KYPipe软件计算，电动阀门开度设置为20%。

2) 瞬态过程分析。利用KYPipe软件模拟未加任何水锤防护措施情况下的瞬态过渡过程，设置水泵在某一时刻发生事故停泵，考虑在水泵出口管道上设置具有快慢关闭功能的液力自动工作阀，其关闭规律采用4.0 s快关90%的开度，剩余10%的开度慢关45 s。

为确保管线运行安全，在管线上设置水锤防护设备，即在上水管首段桩号为上0+015.00和上0+016.00处分别设置一个DN200的水击泄放阀，前一个水击泄放阀的高压开阀压力值设定为160 m，低压关阀值为155 m。后一个水击泄放阀的高压开阀压力值设定为170 m，低压关阀值为165 m；在上0+525.61、上0+547.44、上5+805.18、上5+991.67、上6+045.28、上6+806.91、上7+448.95、上7+653.12、上7+786.22、上9+999.42和上10+266.64处分别设置一个DN150(微排口直径为DN3.2)的注气微排阀；在上6+878.55处设置一个DN100的复核式排气阀。经KYPipe软件模拟仿真得到设置水锤防护措施后的水力包络线，见图1。

软件计算结果表明，管线上设置水锤防护措施条件下，水泵出口压力最大值为147.70 m，为额定值的1.11倍；液力自动工作阀出口压力最大值为173.50 m，为额定值的1.31倍，均未超规范值规定得1.3～1.5倍，满足规范要求；水泵不发生反转。上水管在桩号上7+448.95～上7+786.22间存在负压情况，其中在桩号上7+653.12处出现最大负压值，该点处已设置有注气微排阀，最大负压值为0.9 m。查看该点的压力波动曲线，该点有约30 s处于负压状态，负压过后虽存在正压升高现象，但升高的最大正压值为15.1 m，低于规范技术指标要求，不会造成水柱拉裂而产生断流弥合水锤。因此，在管线上加设防止负压的水锤防护措施是合理可行的。

图1 一站式提水方案水力包络线

2.2.2 中转上水池提水方案

在四面山泵站站址西南方向的山坡上修建一座有效容积为580 m3的中转上水池，泵站经1根DN1100长431 m的上水管提水至上水池后，再经管径DN1100、长10.68 km的输水管道自流至北关水库，上水池设计水位959.00 m，故仅对泵站及上水管进行水力过渡过程仿真模拟。

1) 稳态过程分析。通过软件KYPipe模拟计算，在稳定运行时，水泵扬程能满足水力坡降的要求，水泵前端的压力较高，水力坡降较少，能满足稳定运行需要；水泵后端的压力坡降虽较大，但均能满足上水管出口压力要求。因此，稳态工况下，水泵运行性能良好。

2) 瞬态过程分析。利用KYPipe软件模拟未加任何水锤防护措施情况下的瞬态过渡过程，设置水泵在某一时刻发生事故而停泵，考虑在水泵出口管道上设置具有快慢关闭功能的液力自动工作阀，其关闭规律采用2.0 s快关90%的开度，剩余10%的开度慢关30 s。

采用KYPipe软件，对水泵仅加液力自动工作阀作为水泵出口止回阀的过渡过程进行模拟仿真，得到管线运行水力包络线，见图2。

软件计算结果表明，仅加液力自动工作阀作为水泵出口止回阀的防护条件下，水泵出口压力最大值为152.50 m，为额定值的1.04倍；止回阀出口压力最大值为183.50 m，为额定值的1.26倍，均未超过规范值规定的1.3～1.5倍，满足规范要求；水泵不发生反转；上水管全线均未出现负压情况，满足规范要求。

图2 中转上水池提水方案水力包络线

3 输水管线方案比选

从两种管线方案的水泵选型及水力过渡过程模拟仿真分析结果可知：

1) 技术运维方面。一站式提水方案的上水管线起伏大，存在多个高点，需增加各式水锤防护设备(泄压阀、空气阀及带开度调节的闸阀)，其设备后期的运行维护难度大，一旦设备出现故障，整个泵站系统极易发生停泵水锤，对人身及设备安全造成较大隐患。而中转上水池提水方案通过在高点修建中转上水池，在根本上降低了停泵水锤造成危害的可能性，其可靠性要高于一站式提水方案的设备加持作用，且上水池距离泵站较近，水池日常运行维护较为方便。

2) 经济投资方面。两种方案的水泵选型相同，装机相同，故泵站内的机电设备投资及泵站后期运行费用上基本一致；两种方案的总管线长度相差无几，管径相同，管线投资几乎相同。但由于提水方案不同，两种方案所采用的水锤防护方案相差较大，即中转上水池提水方案中设置的中转上水池可明显改善泵站提水系统的正压升压及负压状况，虽增加上水池的工程投资(约70.2万元，含征地及施工费用)，但相比一站式提水方案所需装设的水锤防护设备的投资(150.94万元)而言，中转上水池提水方案要节省80.74万元。

综合分析，设计优选技术可行、经济优越、运行维护方便的中转上水池提水方案。

4 结 论

科学规划和合理布局输水管线对确保高扬程、长距离输水工程发挥效益和顺利实施起到至关重要的作用。通过对遵义市湘江上游河段生态补水工程输水管线方案的KYPipe软件模拟仿真分析和技术经济性对比，主要取得如下结论：

1) 一站式提水方案由于有压输水管线长、扬程高，较中转上水池提水方案其水锤防护措施复杂，后期运行维护难度较大；中转上水池提水方案较一站式提水方案虽增加了上水池工程投资，但其水锤防护简单，综合投资相对还节省80.74万元。

2) 在高扬程、长距离输水的提水泵站工程中，若泵站站址附近具备修建中转水池的地形条件下，修建中转水池可大幅降低泵站提水系统的水锤防护难度及相应的设备投资，提高泵站运行的可靠性及安全性。