自流供水管道運(yùn)行安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

徐紅梅 袁河江 劉 晨

(山東省滕州市水務(wù)局 277500)

1 引言

水是人類賴以生存的最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)田灌溉、城市生活等綜合利用中首選地表水，水庫(kù)向需水區(qū)遠(yuǎn)距離管道供水工程的運(yùn)行安全問題，不僅是正常供水的根本保障，而且是設(shè)計(jì)人員的必須考慮的問題。因此，開展對(duì)水庫(kù)自流管道安全運(yùn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究，十分必要。

2 水庫(kù)自流供水管道的運(yùn)行特點(diǎn)及不安全因素分析

水庫(kù)自流供水管道工程有如下四方面的特點(diǎn):?利用自然高差自流供水，工程建設(shè)費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)較低;?供水時(shí)管道水流流速、流量相對(duì)穩(wěn)定，其動(dòng)水壓力沿程分布比較均勻(沿程壓力線基本平行于管道中心線，詳見圖2)，有利于管道正常運(yùn)行;?當(dāng)用水單位根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)流量甚至停止用水時(shí)，管內(nèi)水壓力一方面因靜水壓力聚積而緩慢升高，另一方面因水流慣性引起壓力波動(dòng)產(chǎn)生水錘，這種高靜水壓力和水錘壓力疊加的工況對(duì)管道運(yùn)行安全非常不利;?一般管線較長(zhǎng)，沿線地形、地貌比較復(fù)雜，因此管道軸線高程控制、進(jìn)、排氣裝置安裝位置和數(shù)量，是管道空氣進(jìn)排順暢與否的關(guān)鍵。如果管底高程控制精度不高，進(jìn)、排氣閥安裝位置不準(zhǔn)確、地形平緩管段進(jìn)、排氣閥設(shè)置較少等，均會(huì)造成管道空氣進(jìn)排不暢，管內(nèi)的壓縮空氣不僅會(huì)縮小過(guò)流斷面，降低管道的輸水能力，還可能引發(fā)氣爆水錘，而且在管道材質(zhì)相對(duì)薄弱的部位會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，破壞管道。

3 水庫(kù)自流供水管道安全運(yùn)行自動(dòng)化控制方案

水庫(kù)自流供水管道安全運(yùn)行自動(dòng)化控制方案包括三方面內(nèi)容:?利用基礎(chǔ)可靠的機(jī)械電子自動(dòng)化控制技術(shù)，根據(jù)管道輸水流量和壓力適時(shí)隨機(jī)地轉(zhuǎn)換管道動(dòng)水和靜水時(shí)的節(jié)制狀態(tài)，以期合理利用管道輸水能力;?以延時(shí)水錘消除與電控減壓裝置，解決管道壓力波動(dòng)和凈水壓力傳遞升高問題;?管道中的空氣處理。

3.1 管道靜水自控分段隔離滯蓄

3.1.1 管道靜水自控分段隔離滯蓄原理及意義

根據(jù)本文第二部分內(nèi)容分析，結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，不難看出:停止用水時(shí)，管道內(nèi)水壓力將會(huì)逐漸增高，直至升高到最大值，它的沿程分布為線型，管道出水口處壓力最大(總靜水壓力)，管道進(jìn)水口處壓力最小(進(jìn)水口淹沒深度)。正常供水時(shí)，管道動(dòng)水壓力沿程分布比較均勻，且動(dòng)水壓力值遠(yuǎn)小于總靜水壓力值。自流供水管道中下游段管道落差較小、管線較長(zhǎng)，一般占總管道長(zhǎng)度的70%以上，這就表明:每建一處水庫(kù)自流供水管道工程，至少有70%的管道必須以總靜水壓力為耐壓參數(shù)選擇管材，而這些管材平時(shí)承受的動(dòng)水壓力卻只有管材耐壓能力的幾分之一甚至十幾分之一，顯然是工程投資的浪費(fèi)。針對(duì)這一客觀現(xiàn)實(shí)，本課題提出:按高差基本相等的原則，結(jié)合地形地貌情況，利用隔離減壓站，把輸水管道分割成若干段，停止供水時(shí)，各隔離減壓站根據(jù)設(shè)定的壓力指標(biāo)自動(dòng)關(guān)閘隔離，并在各管段節(jié)制電動(dòng)閥下游側(cè)至高點(diǎn)處自動(dòng)開啟減壓電磁閥，使管道中的靜水在微小壓力下滯蓄其中，各段管道的最高靜水壓力僅相當(dāng)于本管段高差，從而實(shí)現(xiàn)工程對(duì)管材管件的抗壓要求可以大幅度降低的目的。該原理對(duì)高差較大、管道較長(zhǎng)的大型工程效益更加顯著，可大大節(jié)約工程投資。

圖1 管道靜水分段隔離滯蓄與全程滯蓄壓力對(duì)比分析圖

圖2 自流管道安全運(yùn)行自控設(shè)備布置和縱斷圖

圖3 隔離減壓站設(shè)備與工作原理示意圖

3.1.2 管道靜水自控分段隔離滯蓄系統(tǒng)設(shè)備及工作原理

a.系統(tǒng)主要設(shè)備:節(jié)制電動(dòng)閥、減壓電磁閥、電接點(diǎn)壓力表和電子電路等組成的機(jī)電一體化自控系統(tǒng)。

b.控制依據(jù):壓力隔離斷面正常工作壓力+停水增壓值。

c.控制方法:在管道的若干斷面位置，根據(jù)管道壓力設(shè)定情況實(shí)行可逆運(yùn)行的自動(dòng)化壓力隔離和減壓。管道沿程各隔離減壓站將依據(jù)本管段正常工作壓力+停水增壓值設(shè)定本站的最高壓力限值。具體做法是:采用由電動(dòng)閥、電磁閥、電接點(diǎn)壓力表和電子電路等組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)化控制，當(dāng)本管段壓力達(dá)到最高設(shè)定壓力時(shí)，電接點(diǎn)壓力表送出信號(hào)，開始自動(dòng)關(guān)閉設(shè)在主管道上的電動(dòng)閥以減小流量直至完全關(guān)閉。當(dāng)主管道電動(dòng)閥完全關(guān)閉時(shí)，其下游側(cè)的旁通減壓電磁閥會(huì)自動(dòng)打開(詳見圖3)，以消除主管道節(jié)制電動(dòng)閥后的壓力，確?？傡o水壓力分段隔離的效果。在隔離減壓站執(zhí)行自動(dòng)關(guān)閉主管道電動(dòng)閥減小流量的過(guò)程中，由于流量的減小，管道內(nèi)水壓力下降到低于最高壓力限值且高于最低壓力限值，處于正常工作壓力區(qū)間時(shí)，主管道節(jié)制電動(dòng)閥將在適當(dāng)開啟度暫停，這時(shí)減壓電磁閥不會(huì)開啟。用水單位恢復(fù)正常用水后，管道內(nèi)水壓力會(huì)降低到正常工作壓力區(qū)間的最低壓力限值，主管道節(jié)制電動(dòng)閥將會(huì)自動(dòng)開啟到最大開度。管道沿線各隔離減壓站布置情況、主要設(shè)備裝置和系統(tǒng)自控原理詳見:圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

圖4 延時(shí)內(nèi)壓平衡水錘消除器工作原理示意圖

圖5 壓力自控電動(dòng)閥開閥電原理圖

圖6 壓力自控電動(dòng)閥關(guān)閥電原理圖

圖7 電磁減壓閥自控電原理圖

3.2 水錘消除與電控減壓

3.2.1 水錘消除與電控減壓設(shè)備

在水庫(kù)自流供水管道安全運(yùn)行自動(dòng)化控制方案中，水錘消除與電控減壓是通過(guò)電磁閥配合一種內(nèi)水壓力延時(shí)平衡止水裝置實(shí)現(xiàn)的。該裝置有兩項(xiàng)功能:?消除水錘避免管道受到水錘波沖擊;?該裝置可根據(jù)主管道上的節(jié)制電動(dòng)閥啟、閉狀態(tài)和電接點(diǎn)壓力表提供的電信號(hào)由電磁閥執(zhí)行管道減壓或恢復(fù)管道正常輸水。原理詳見圖4。

3.2.2 延時(shí)內(nèi)壓平衡水錘消除器水力學(xué)依據(jù)

如圖4所示，在有壓輸水管道中，垂直管道軸線的斷面上的任意兩點(diǎn)a、b的能量總和均符合水能平衡方程的要求，列水能平衡方程如下:

Z——水的位能，P——水的壓力勢(shì)能，V——水的流速(水動(dòng)能參數(shù))。

3.2.3 理論與實(shí)際吻合分析

a.水錘消除器內(nèi)部任意水質(zhì)點(diǎn)可以近似地認(rèn)為在同一斷面內(nèi)。

b.水錘消除器內(nèi)部a點(diǎn)與b點(diǎn)的位能可以近似地認(rèn)為相同。

c.根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的近似理解，(A)式可以簡(jiǎn)化為(B)式。

3.2.4 水能平衡問題分析

3.2.4.1 水錘消除器靜態(tài)止水問題

首先假設(shè)水錘消除器靜態(tài)時(shí)漏水(如圖4所示)，則有:Va＞0，Vb=0 ，由(B)式可得:Pa=Pb－V2a/2g，即Pa＜Pb。以上假設(shè)與推理表明:水錘消除器排泄口處只要漏水，平衡倉(cāng)內(nèi)b點(diǎn)水壓力就大于排泄口處a點(diǎn)水壓力，橡膠膜就會(huì)向排泄口邊沿不停地運(yùn)動(dòng)直至與排泄口接觸，即到達(dá)Va=Vb=0，Pa=Pb的止水狀態(tài)。其次因?yàn)榘踩珳p壓排泄口橫截面積SPX小于平衡倉(cāng)底的面積 SCD，又因?yàn)?Pa=Pb，SPX× Pa＜ SCD× Pb，即，安全減壓排泄口橫截面上的總水壓力小于平衡倉(cāng)底上的總水壓力。

以上分析得出:水錘消除器靜態(tài)時(shí)不會(huì)漏水。

3.2.4.2 水錘消除器水錘消除保障

管道輸水過(guò)程中(如圖4所示)，有正水錘產(chǎn)生時(shí)，浪壓力通過(guò)減壓通道以相同的壓強(qiáng)PL同時(shí)作用在排泄口和連通管口上 ，因?yàn)榕判箍诿娣eSPX遠(yuǎn)大于連通管口面積 SLT，所以:PL× SPX?PL× SLT——(C)，由連通器原理得:平衡倉(cāng)內(nèi)b點(diǎn)處橡膠膜受到的浪壓力總和等于連通管口受到的浪壓力總和PL×SLT，(C)式表明:橡膠膜兩面在一對(duì)不平衡力的作用下向著力較小(平衡倉(cāng)內(nèi)b點(diǎn))的方向運(yùn)動(dòng)并脫離排泄口邊沿，從而實(shí)現(xiàn)排泄水錘的功能。水錘波過(guò)后管道壓力平穩(wěn)時(shí)，依據(jù)水錘消除器靜態(tài)止水分析，水錘消除器將到達(dá)新的靜態(tài)止水。

3.2.4.3 電控減壓功能

電控減壓是通過(guò)電磁減壓閥(6)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)控制系統(tǒng)需要減壓時(shí)，電磁減壓閥(6)將根據(jù)系統(tǒng)提供的信號(hào)自動(dòng)開啟，這時(shí)水錘消除器靜態(tài)止水所述的水錘消除器靜態(tài)止水平衡(Va=Vb=0，Pa=Pb)被破壞，平衡倉(cāng)內(nèi)b點(diǎn)與大氣連通，而排泄口a點(diǎn)處卻仍然是管道內(nèi)正常水壓力，則有:Pa?Pb，那么橡膠膜就會(huì)向著壓力較小(平衡倉(cāng)內(nèi)b點(diǎn))的方向運(yùn)動(dòng)并脫離排泄口邊沿，從而實(shí)現(xiàn)電控減壓功能。

3.3 管道氣流的處理

在確保駝峰頂端進(jìn)、排氣閥良好的前提下，再在坡度較緩或水平管段上增設(shè)一定數(shù)量的自動(dòng)進(jìn)、排氣閥;安裝時(shí)應(yīng)注意:①排氣閥安裝口盡量采用等徑三通與主管道連接，然后再使用漸縮變徑管與排氣閥連接，確保水氣充分分離;②盡量使用雙口自動(dòng)進(jìn)、排氣閥，確保管道氣流進(jìn)排暢通。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

滕州市馬河水庫(kù)向新源電廠供水管道工程于2002年底建成，自2003年1月至9月試運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn):電廠夜間用水量較小(甚至停水)，這樣靜水壓力就會(huì)不斷增大，致使中下游管道薄弱段經(jīng)常發(fā)生暴管現(xiàn)象，一度造成該管道不能正常運(yùn)行。

2003年10月，根據(jù)供水管道工程需要，在新源供水管道上安裝了本課題研究的自動(dòng)化控制減壓系統(tǒng)。該裝置能夠在管道壓力升高到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開閘減壓，并發(fā)出報(bào)警聲，管道壓力恢復(fù)正常后，減壓閘自動(dòng)關(guān)閉，報(bào)警聲停止。日常管理人員反映:安裝自動(dòng)化控制減壓系統(tǒng)后，幾乎每天夜間都能聽到減壓報(bào)警聲，但從未發(fā)生過(guò)暴管現(xiàn)象，新源供水管道運(yùn)行安全非常理想。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本課題研究的最終目標(biāo)為:?利用機(jī)電一體化自控系統(tǒng)不間斷地對(duì)供水管道實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不失時(shí)機(jī)地自動(dòng)調(diào)節(jié)各管段壓力和流量，使長(zhǎng)距離、高水頭、大流量的大型自流供水管道工程，在用水企業(yè)調(diào)節(jié)用水量或停止用水的過(guò)程中，管道水流由動(dòng)到靜自動(dòng)平滑過(guò)渡實(shí)現(xiàn)軟著陸。各管段壓力最終達(dá)到:最低壓力基本為零、最高壓力等于本管段自身高差。自流供水管道工程距離再長(zhǎng)、水頭再高，它的管材內(nèi)水壓力要求都可以參考相鄰兩隔離減壓站間的高差確定，從而實(shí)現(xiàn)管材、管件低壓化，最大限度地節(jié)約工程投資;?實(shí)現(xiàn)供水工程運(yùn)行方便。主要表現(xiàn)為:用水企業(yè)調(diào)節(jié)用水量或停止用水時(shí)，管道全線隔離減壓站都會(huì)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，使管道全線壓力分布較為均勻，有利于延長(zhǎng)工程壽命;當(dāng)管道需要停水維修或檢修時(shí)，只需排空被維修或檢修管段，不需要全線排空管道，這樣省時(shí)、省水，非常方便;當(dāng)管道中下游發(fā)生意外破裂時(shí)，只有本管段的水溢出，不會(huì)給附近的農(nóng)田和村莊造成較大損失。

1 董安建.我國(guó)調(diào)水工程設(shè)計(jì)實(shí)踐與創(chuàng)新［J］.中國(guó)水利，2010(20).

2 關(guān)志誠(chéng)，陳雷.引調(diào)水工程建設(shè)與應(yīng)用技術(shù)［J］.中國(guó)水利，2010(20).