长距离双管输水系统连通管设计思路探讨

黄志刚， 王 涛

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

拟建巢湖市长江供水工程为中型Ⅲ等工程,由长江干流和县段取水,采用长距离管道两级加压输送原水至含山县和巢湖市。规划水平年2035年设计引水流量5.889 m3/s(1.06×48万t/d),年引水量1.2亿m3,管线全长约80.8 km,主要建筑物有取水泵站、加压泵站、输水管线及管道附属建筑物等。工程沿线共设置有两个分水口:第一个分水口位于含山县二水厂附近,分水流量1.227 m3/s(1.06×10万t/d);第二个分水口位于巢湖市二水厂附近,分水流量0.981 m3/s(1.06×8万t/d)。工程可行性研究阶段双管输水方案中,取水泵站～含山分水口段选用DN1800预应力钢筒混凝土管,含山分水口～加压泵站～巢湖二水厂～巢湖市三水厂段选用DN1600预应力钢筒混凝土管,管道糙率n取0.0125,管顶最小覆土厚度1.5 m。规划工程供水工况见表1。

表1 规划工程供水工况表

2 水泵选型与连通管设计

由表1可知,本工程各工况下用水需求存在巨大差异,取水泵站-加压泵站段流量最大差值3.2倍,加压泵站-巢湖三水厂段流量最大差值2.9倍,其中工况5为设计工况,工况1～4为近期用水需求工况,工况6为事故工况(事故水量按设计水量的70%考虑)。

以加压泵站为界,前后两段管线布置类同,以取水泵站-加压泵站段为例介绍连通管设计的思路。在不考虑设置连通管时,取水泵站-加压泵站段双管运行各工况扬程计算值见表2,其中事故工况6按不考虑设置连通管一条管道事故计算扬程。

表2 取水泵站-加压泵站段双管运行各工况扬程表

从表2中可知,取水泵站-加压泵站段最小扬程24.1 m,最大扬程76.6 m。一般通过变速调节(额定转速的0.7～1.2倍)等常规调节措施,水泵扬程可在额定扬程上下调节50%左右即要求最大扬程与最小扬程3倍差值以内,若各工况都按双管运行,3.18倍扬程差造成水泵选型极其困难,且极不经济,小流量工况下,因流速低、容易造成管道淤积。对此,通过输水系统设置连通管,灵活切换单双管运行方式,在满足不同用水需求工况下,减小系统扬程差,为水泵选型提供有利条件。

2.1 连通管间距计算原理

设两条输水管管径分别为DN1、DN2,总设计流量为Q(m3/s),DN1及DN2的比阻系数分别为A1、A2,得方程组:

Q2=Q-Q1

联立求解方程组可得:

则:

Q1=kQ

Q2=Q-Q1=(1-k)Q

当输水干管设计流量为Q(m3/s),事故水量为αQ(m3/s),输水干管总长度为L(m),连通管间距S(m)。假定泵房出水压力为一定值,当DN2某段发生事故时,其管道的水头损失维持不变,输水干管DN1的沿程水头损失:

A1(αkQ)2(L-S)+A1(AQ0)2S=A1(kQ)2L

上述联通管间距计算中,假定取水泵房出水压力为定值,实际情况是,当水泵的流量降低到70%时,水泵的扬程将会增大,即可利用的水头会增大,理论上连通管的间距可以适当加大。工程实际应用中一般偏安全考虑,简化计算,不考虑水泵流量降低扬程升高的有利因素。

2.2 连通管设计

巢湖市长江供水工程各段双管均同管径,根据前述连通管间距计算方法,取水泵站-加压泵站段、加压泵站段-巢湖三水厂段各设置2处连通管,可行性研究阶段将各段平均分为3段。连通管管径确定的原则:在不影响管道正常输水的前提下,当两条输水干管的管径相同时,连通管和连通管阀门宜选择比输水干管小一号的管径;当两条输水干管的管径不相同时,连通管及连通管阀门应采用较小输水的管径,以减少阀门的投资。因此巢湖供水工程双管输水方案中,取水泵站-加压泵站段连通管管径选用DN 1600(图1),加压泵站-巢湖三水厂段连通管管径选用DN 1400。按流速不下于0.7 m/s原则控制管道运行方式,计算取水泵站-加压泵站段各工况下水泵扬程;其中事故工况分别按一处管段事故、两处管段事故以及三处管道事故计算扬程,计算结果见表3。

图1 取水泵站-加压泵站段连通管布置简图

表3 设置2处连通管各工况扬程表

从表3中可知,通过开关连通阀门,出现小流量工况1、2时,单管运行,输水系统最大扬程和最小扬程差值由3.18倍减小到2.50倍,在发生1处管段事故时,最大扬程较设计供水工况提高11.4%,发生2处管段事故时,最大扬程较设计供水工况提高38.1%,发生3处管段事故时,最大扬程较设计供水工况提高43.7%,设计中可通过变速等调节措施解决水泵选型问题。前期方案设计中,连通管按管线长度分三段平均设置,后期深化设计时,可在扬程控制段适当增加连通管进一步降低扬程差,为水泵选型创造更加有利条件。

3 结束语

巢湖市长江供水工程近期与远期用水需求差异巨大,且沿线设有多个分水口,为方便水泵选型,保证各工况下水泵经济运行提供技术支撑,设计利用设置的连通管,按照用水需求、灵活采用单管或双管运行,控制允许最小流速0.7 m/s,且发生极端事故工况,利用设置的连通管,系统仍能满足事故用水需求,满足管道输水工程的供水保证率要求。本工程水泵选型及连通管设计思路可为同类工程提供参考。