長距離重力流倒虹吸管道充水過程控制

(甘肅水投天水供水有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000)

1 工程概況

天水市城區(qū)引洮供水工程是甘肅省水利建設(shè)史上第一條長距離、大口徑、水廠原水輸水工程。輸水管道設(shè)計(jì)采用地埋式單管輸水，設(shè)計(jì)流量2.1m3/s，全線采用重力流輸水。其中武山、甘谷縣境內(nèi)長42.11km的大倒虹吸最大設(shè)計(jì)管內(nèi)壓力達(dá)4.2MPa。本次充水的主要內(nèi)容為其中已完工的秦州段倒虹管道。秦州段倒虹管道線路自2號(hào)隧洞出口匯流池起至藉口水廠止，全長20.11km，采用DN1400球墨鑄鐵管單管輸水。匯流池出口處管中心設(shè)計(jì)高程為1556.48m，藉口水廠進(jìn)廠位置處管道末端管中心設(shè)計(jì)高程為1352.78m，管道沿線呈“U”字形，最低點(diǎn)管中心線高程1322.95m，最大落差233.53m。全線設(shè)置消能箱一處，將倒虹段壓力管道分為兩個(gè)部分，其中匯流池至消能箱間的壓力管道長5.51km，落差91.38m；消能箱至末端水廠的壓力管道長14.60km，落差112.32m；消能箱至最低點(diǎn)總落差142.15m。管線沿程縱斷面高程及閥門設(shè)備布置情況見圖1。

2 水力機(jī)械設(shè)備布置情況

為保證工程輸水管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，便于管道系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)，水壓降低，設(shè)備檢修，管道進(jìn)排氣，流量、壓力等參數(shù)的監(jiān)測，沿線同時(shí)還布置多處調(diào)

圖1 秦州段倒虹管道沿程縱斷面高程及閥門設(shè)備布置

流調(diào)壓閥、隔斷閥以及在線過程儀表監(jiān)測設(shè)備。本段管道主要設(shè)備布置如下：

a.活塞式調(diào)流調(diào)壓閥2組，通過開度大小調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)消能降壓、流量調(diào)節(jié)，每組由1臺(tái)DN1000和1臺(tái)DN600調(diào)流閥并聯(lián)組成(調(diào)流調(diào)壓閥布置位置見圖2)，分別設(shè)在消能箱進(jìn)口前端和水廠進(jìn)口前端。

圖2 調(diào)流調(diào)壓閥布置

b.檢修偏心半球閥3組，起檢修隔斷作用。當(dāng)輸水管道出現(xiàn)事故爆管或者需要對某段管道進(jìn)行檢修時(shí)，把此段管道用雙向硬密封偏心半球閥隔斷，減少水量浪費(fèi)，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運(yùn)行。隔斷閥門根據(jù)事故搶修時(shí)允許的管段放空排水時(shí)間確定，并結(jié)合地形起伏和穿越河流或公路等情況確定。本段布置斷閥門間距為5km左右，隔斷閥開啟和關(guān)閉的時(shí)間均為400s。管道首端隔斷閥并聯(lián)DN400旁通閥，用于管路系統(tǒng)空管充水流量控制。

c.放空閥3組，按照管道縱斷面起伏位置及現(xiàn)場實(shí)際條件，在管道低點(diǎn)及臨近河道處布置放空閥3處，用于管道排空。

d.超壓泄壓閥4組，每個(gè)調(diào)流調(diào)壓閥和檢修雙向硬密封偏心半球閥前，設(shè)置一組超壓泄壓閥，防止當(dāng)關(guān)閉閥門速度過快時(shí)，引起管道壓力水錘過高破壞管道，超壓泄壓閥快開慢關(guān)。

e.復(fù)合式空氣閥22組，按照每0.8km布置一臺(tái)的原則，保證管道內(nèi)的進(jìn)排氣，防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生，每組空氣閥均配備壓力表。

f.壓力在線檢測設(shè)備5處，在每個(gè)檢修隔斷閥、調(diào)流調(diào)壓閥前各設(shè)置一臺(tái)壓力變送器，用來監(jiān)測管道工作壓力和管道工作狀態(tài)。

g.流量在線監(jiān)測設(shè)備2處，在每個(gè)調(diào)流調(diào)壓閥前設(shè)置三聲道超聲波流量計(jì)一臺(tái)，用來檢測管道流量狀態(tài)。

3 充水過程

3.1 充水前準(zhǔn)備

3.1.1 建立充水調(diào)度機(jī)構(gòu)

充水前制定充水方案，制定閥門設(shè)備操作規(guī)程，建立由業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、設(shè)備(材料)供應(yīng)單位相關(guān)人員組成的充水調(diào)度指揮部，指揮部下設(shè)設(shè)備操作組和巡視搶險(xiǎn)組。沿線各閥位安排有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員值守，進(jìn)行閥門設(shè)備操作與觀察；巡視搶險(xiǎn)組負(fù)責(zé)現(xiàn)場巡查、反饋巡視狀況，并及時(shí)向指揮部反饋信息。指揮部組織制定充水方案、人員培訓(xùn)、發(fā)放調(diào)試方案系統(tǒng)圖，明確各參與單位部門責(zé)任，建立應(yīng)急機(jī)制。

3.1.2 充水前檢查

a.充水前按照規(guī)范及相關(guān)要求，對管道系統(tǒng)中的雜物進(jìn)行清理。

b.依據(jù)設(shè)計(jì)文件對水工建筑物和設(shè)備安裝情況進(jìn)行檢查，確保滿足設(shè)計(jì)文件要求。

c.充水前依據(jù)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50268—2008)要求進(jìn)行管道水壓試驗(yàn)。管道水壓試驗(yàn)分6段進(jìn)行，每段利用就近水源采用水泵抽水充水，在每段末端高點(diǎn)處設(shè)排氣裝置。由于水壓試驗(yàn)過程中充水流量極小且每次充水長度不長，充水過程較為簡單。

d.檢查管線所有設(shè)備的密封性和動(dòng)作性能，確保管線各設(shè)備密封可靠，能夠正常啟閉。

e.運(yùn)行中各種壓力、流量、閥門開啟度、閥門控制等檢測控制系統(tǒng)已安裝調(diào)試完畢，達(dá)到運(yùn)行要求。

f.供電、通訊等系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢，達(dá)到運(yùn)行要求。

g.檢查整條管線各個(gè)閥門的工作狀態(tài)：首端檢修球閥關(guān)閉、旁通閥開啟、隔斷閥開啟、調(diào)流調(diào)壓閥在20%的開度、放空閥關(guān)閉、超壓泄壓閥開啟、空氣閥正常開啟。

3.2 管路充水

由于管線縱斷面沿地面高程起伏較大，充水前管道內(nèi)存在大量的氣體，充水過程中既有上坡段又有下坡段。充水過程中氣液兩相并存持續(xù)時(shí)間較長，以致氣、水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和過程比較復(fù)雜。根據(jù)管線坡度的不同，可能是緩流，多數(shù)情況下可能是急流。在急流流態(tài)下充水時(shí)，將不可避免地發(fā)生水體摻氣和高速水流挾氣。充水過程中產(chǎn)生復(fù)雜的非恒定流，極易造成運(yùn)行事故。所以，應(yīng)采用小流速進(jìn)行充水，以便最大程度排空管道中的氣體，在充水試運(yùn)行前還應(yīng)進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，并確定閥門設(shè)備開關(guān)規(guī)律。

根據(jù)有關(guān)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和《城市供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》，在向有壓管道充水時(shí)，充水當(dāng)量流速應(yīng)控制在0.3～0.5m/s左右，充水流量不超過設(shè)計(jì)流量20%。太低的流速帶不走管道的存氣，不利于管道排氣，也使充水時(shí)間過長；太高流速可能使管道充水速度大于排氣速度，造成氣堵，引起壓力震蕩?；谏鲜鲈瓌t，根據(jù)設(shè)計(jì)階段水力過渡過程計(jì)算分析，本次充水流量控制在800m3/h。

本段管道被消能箱分成兩部分，充水時(shí)先向下段充水，充水步驟如下：

a.首端DN1400隔斷閥關(guān)閉，旁通管開啟，利用旁通閥控制流量進(jìn)行充水。

b.當(dāng)末端水廠處調(diào)流調(diào)壓閥出水后緩慢關(guān)閉末端調(diào)流調(diào)壓閥，向管道充水。

c.待4號(hào)消能箱即將達(dá)到設(shè)計(jì)水位時(shí)，緩慢關(guān)閉消能箱前調(diào)流調(diào)壓閥，直到匯流池水位達(dá)到設(shè)計(jì)，緩慢關(guān)閉首端旁通管球閥，再關(guān)閉進(jìn)水口。

d.在壓力管道充滿水后，根據(jù)《給排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50268—2008)要求，滿管保壓24h，若整個(gè)過程中管道全段未出現(xiàn)異常，則表明管道充水成功。

3.3 充水前及充水過程中注意事項(xiàng)

a.充水前必須進(jìn)行打壓試驗(yàn)，管道安裝完成后的打壓試驗(yàn)是檢查管道安裝情況的重要手段，為避免在充水過程中管道系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏，發(fā)生意外情況，在充水前必須對整個(gè)管道系統(tǒng)按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行分段打壓。

b.充水流量控制，由于本段管線利用應(yīng)急引水樞紐作為水源進(jìn)行供水，引水樞紐進(jìn)水口未安裝流量監(jiān)測設(shè)備，所以在充水過程中要嚴(yán)格監(jiān)控消能箱前流量監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)此處流量監(jiān)控值適當(dāng)調(diào)整進(jìn)水閘門開度，達(dá)到預(yù)定充水流量。

c.空氣閥工作狀況監(jiān)測，管道沿線各閥井處布設(shè)觀察人員，對空氣閥工作狀況進(jìn)行檢查、監(jiān)測，同時(shí)對確保空氣閥補(bǔ)排氣正常，發(fā)現(xiàn)異常情況立即向指揮部報(bào)告。

d.消能箱處觀察人員要時(shí)刻關(guān)注消能箱水位，避免消能箱溢流或拉空。

e.充水過程中依據(jù)管路縱斷面高程和沿線壓力監(jiān)控值來判斷充水位置，加強(qiáng)對未充滿段空氣閥工作狀況監(jiān)測。

f.調(diào)流調(diào)壓閥和隔斷閥的每次開關(guān)閉動(dòng)作都要按照閥門開啟、關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行，以免發(fā)生開閥水錘、關(guān)閥水錘或斷流彌合水錘，造成設(shè)備損壞和爆管事故。

4 常見問題及處理措施

4.1 管道中排氣不徹底

由于管道線路較長，沿線地形起伏較大、中間有多個(gè)U形段，充水前管道內(nèi)有大量氣體存在，管道內(nèi)氣液并存狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長，以致管道內(nèi)容易產(chǎn)生氣囊，為盡最大可能排出管道內(nèi)氣體，充水過程中要注意觀測管道沿線壓力表監(jiān)測數(shù)值。觀測點(diǎn)壓力監(jiān)測值=管道內(nèi)水位高程-觀測點(diǎn)位置的高程；如管道中含滯留氣團(tuán)，則觀測點(diǎn)壓力監(jiān)測值<管道內(nèi)水位高程-觀測點(diǎn)位置的高程。當(dāng)管道中含有滯留氣團(tuán)時(shí)，應(yīng)多次反復(fù)打開、關(guān)閉末端調(diào)流調(diào)壓閥至相應(yīng)開度。

4.2 關(guān)閥水錘

在充水過程中，閥門設(shè)備及管道接頭漏水、設(shè)備故障、管道出現(xiàn)故障或者充水結(jié)束等，都需要關(guān)閥末端調(diào)流調(diào)壓閥停水，如果關(guān)閥操作不當(dāng)，水流受阻回流碰撞，碰撞水頭不斷疊加，造成管道內(nèi)壓力急劇升高，從而形成關(guān)閥水錘。同時(shí)，由于管道起點(diǎn)至管道最低點(diǎn)高差達(dá)112m，一旦因操作不當(dāng)造成關(guān)閥水錘，后果不堪設(shè)想。因此沿線控制閥門的關(guān)閉規(guī)律要經(jīng)科學(xué)計(jì)算進(jìn)行確定，本段管道閥門設(shè)備開關(guān)規(guī)律在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了水錘模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了建議的閥門關(guān)閉規(guī)律。因此在任何狀況下，閥門設(shè)備啟閉均嚴(yán)格按照規(guī)定程序操作。

4.3 斷流彌合水錘

由于管道沿線起伏較大，中間有多個(gè)U形段，形成多個(gè)駝峰，導(dǎo)致這些部位容易聚集氣體。如果這些部位排氣不暢將會(huì)造成管道內(nèi)氣堵，嚴(yán)重時(shí)會(huì)斷流。大量氣體聚集易造成爆管事故；或者整個(gè)輸水管路系統(tǒng)中壓力普遍下降，一旦壓力降至當(dāng)時(shí)水溫的氣化壓力以下，管道中水將氣化，水流連續(xù)性遭到破壞，造成水柱分離，當(dāng)分離水柱重新彌合時(shí)，如排氣過快將會(huì)形成彌合水錘，嚴(yán)重時(shí)造成爆管。因此應(yīng)通過水力過渡過程計(jì)算分析確定補(bǔ)排氣閥布置位置及閥門型式，在充水過程中各空氣閥處設(shè)置觀察人員，密切監(jiān)控空氣閥工作狀況及壓力變化情況，并隨時(shí)向指揮部報(bào)告。

5 結(jié) 語

長距離重力流倒虹吸管道充水過程中流態(tài)比較復(fù)雜，為盡量避免充水過程中事故產(chǎn)生，在充水前除了進(jìn)行分段打壓試驗(yàn)外，還應(yīng)對水工建筑物、閥門設(shè)備等檢查調(diào)試，建立充水調(diào)度管理機(jī)構(gòu)，制訂應(yīng)急方案；充水過程中應(yīng)著重對空氣閥是否工作、各觀測點(diǎn)壓力情況進(jìn)行密切監(jiān)控；充水完成后試運(yùn)行中要嚴(yán)格按照水力過渡過程計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)行閥門設(shè)備啟閉操作。