河段生態(tài)補(bǔ)水輸水管線方案KYPipe水力論證比選

蔣衛(wèi)明，文楊發(fā)

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563002)

1 工程概況

遵義市湘江上游河段生態(tài)補(bǔ)水工程位于貴州省遵義市中心城區(qū)東北面，地處湘江左岸支流仁江魚劍灘河段。湘江上游河段生態(tài)補(bǔ)水四面山泵站主要任務(wù)是向高坪河補(bǔ)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質(zhì)，提升湘江沿岸居民生活品質(zhì)。工程擬建一座泵站利用3根DN700水泵進(jìn)水支管，從仁江河取水經(jīng)3根DN700水泵出水支管匯總至1根DN1100、長(zhǎng)431 m的上水鋼管提至泵站站址旁山頭上的中轉(zhuǎn)上水池，再經(jīng)DN1100、長(zhǎng)10.68 km的球墨鑄鐵輸水管重力自流至北關(guān)水庫(kù)，最后經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后下放至高坪河、干溪河及湘江干流河段，實(shí)現(xiàn)生態(tài)補(bǔ)水。泵站設(shè)計(jì)提水流量為1.0 m3/s，設(shè)計(jì)裝置揚(yáng)程為146.01 m，3臺(tái)臥式雙吸離心泵(2用1備)，總裝機(jī)功率3 360 kW，工頻運(yùn)行。

四面山泵站屬于大流量長(zhǎng)距離高揚(yáng)程泵站，在事故停泵時(shí)極易發(fā)生斷流彌合水錘，對(duì)泵站設(shè)備和運(yùn)行人員的安全造成極大危險(xiǎn)[1-2]。結(jié)合工程地形地貌及地質(zhì)條件，四面山泵站至北關(guān)水庫(kù)的輸水管線擬定兩種方案進(jìn)行比選，即方案一為一站式提水，通過(guò)水泵從仁江河內(nèi)取水并直接提水至北關(guān)水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)水；方案二為中轉(zhuǎn)上水池提水，在泵站站址附近合適的地形條件處修建中轉(zhuǎn)上水池，通過(guò)水泵提水至中轉(zhuǎn)上水池，經(jīng)重力自流至北關(guān)水庫(kù)。為確保四面山泵站高揚(yáng)程、長(zhǎng)距離輸水管線具有較高的運(yùn)行安全性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，采用KYPipe Surge2010水力分析軟件對(duì)兩種管線方案下的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，優(yōu)選水錘防護(hù)安全經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的方案，為工程建設(shè)順利實(shí)施提供有力的技術(shù)保障。

2 輸水管線過(guò)渡過(guò)程仿真分析

2.1 水泵選型

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)提水流量和設(shè)計(jì)裝置揚(yáng)程確定兩種管線方案的特性參數(shù)，見表1。

表1 兩種管線方案特性參數(shù)

從表1可以看出，兩種管線方案中水泵設(shè)計(jì)裝置揚(yáng)程僅相差1.69 m，而設(shè)計(jì)提水流量及臺(tái)數(shù)均一致，故最終對(duì)應(yīng)的水泵型號(hào)一致，選擇與工程實(shí)際匹配性較好的KQSN400-N6W/724型臥式雙吸離心泵，水泵設(shè)計(jì)流量為1 798 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為150 m，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，配套電機(jī)功率為1 120 kW。

2.2 水力過(guò)渡過(guò)程模擬仿真

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)中明確要求，發(fā)生事故停泵時(shí)，應(yīng)滿足水泵最高反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Nmax≤1.2倍額定轉(zhuǎn)速Ne；最高壓力Pmax≤1.3～1.5倍水泵出口額定壓力Pe；管道任何部位不會(huì)出現(xiàn)水柱斷裂等要求。如不能滿足要求，則應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的水錘防護(hù)措施[3-5]。

2.2.1 一站式提水方案

1) 穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析。通過(guò)軟件KYPipe模擬計(jì)算，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，因一站式提水方案中泵站上水管線最高點(diǎn)不在末端，而在管線樁號(hào)上9+999.42～上10+266.65間的管段。水泵將水提至該樁號(hào)以后，為防止在最高點(diǎn)處出現(xiàn)水柱拉斷現(xiàn)象，需在上水管末端出口前出設(shè)置一個(gè)DN1100可調(diào)節(jié)開度的電動(dòng)閘閥。經(jīng)KYPipe軟件計(jì)算，電動(dòng)閥門開度設(shè)置為20%。

2) 瞬態(tài)過(guò)程分析。利用KYPipe軟件模擬未加任何水錘防護(hù)措施情況下的瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程，設(shè)置水泵在某一時(shí)刻發(fā)生事故停泵，考慮在水泵出口管道上設(shè)置具有快慢關(guān)閉功能的液力自動(dòng)工作閥，其關(guān)閉規(guī)律采用4.0 s快關(guān)90%的開度，剩余10%的開度慢關(guān)45 s。

為確保管線運(yùn)行安全，在管線上設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備，即在上水管首段樁號(hào)為上0+015.00和上0+016.00處分別設(shè)置一個(gè)DN200的水擊泄放閥，前一個(gè)水擊泄放閥的高壓開閥壓力值設(shè)定為160 m，低壓關(guān)閥值為155 m。后一個(gè)水擊泄放閥的高壓開閥壓力值設(shè)定為170 m，低壓關(guān)閥值為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處分別設(shè)置一個(gè)DN150(微排口直徑為DN3.2)的注氣微排閥；在上6+878.55處設(shè)置一個(gè)DN100的復(fù)核式排氣閥。經(jīng)KYPipe軟件模擬仿真得到設(shè)置水錘防護(hù)措施后的水力包絡(luò)線，見圖1。

軟件計(jì)算結(jié)果表明，管線上設(shè)置水錘防護(hù)措施條件下，水泵出口壓力最大值為147.70 m，為額定值的1.11倍；液力自動(dòng)工作閥出口壓力最大值為173.50 m，為額定值的1.31倍，均未超規(guī)范值規(guī)定得1.3～1.5倍，滿足規(guī)范要求；水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)。上水管在樁號(hào)上7+448.95～上7+786.22間存在負(fù)壓情況，其中在樁號(hào)上7+653.12處出現(xiàn)最大負(fù)壓值，該點(diǎn)處已設(shè)置有注氣微排閥，最大負(fù)壓值為0.9 m。查看該點(diǎn)的壓力波動(dòng)曲線，該點(diǎn)有約30 s處于負(fù)壓狀態(tài)，負(fù)壓過(guò)后雖存在正壓升高現(xiàn)象，但升高的最大正壓值為15.1 m，低于規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求，不會(huì)造成水柱拉裂而產(chǎn)生斷流彌合水錘。因此，在管線上加設(shè)防止負(fù)壓的水錘防護(hù)措施是合理可行的。

圖1 一站式提水方案水力包絡(luò)線

2.2.2 中轉(zhuǎn)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積為580 m3的中轉(zhuǎn)上水池，泵站經(jīng)1根DN1100長(zhǎng)431 m的上水管提水至上水池后，再經(jīng)管徑DN1100、長(zhǎng)10.68 km的輸水管道自流至北關(guān)水庫(kù)，上水池設(shè)計(jì)水位959.00 m，故僅對(duì)泵站及上水管進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程仿真模擬。

1) 穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析。通過(guò)軟件KYPipe模擬計(jì)算，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，水泵揚(yáng)程能滿足水力坡降的要求，水泵前端的壓力較高，水力坡降較少，能滿足穩(wěn)定運(yùn)行需要；水泵后端的壓力坡降雖較大，但均能滿足上水管出口壓力要求。因此，穩(wěn)態(tài)工況下，水泵運(yùn)行性能良好。

2) 瞬態(tài)過(guò)程分析。利用KYPipe軟件模擬未加任何水錘防護(hù)措施情況下的瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程，設(shè)置水泵在某一時(shí)刻發(fā)生事故而停泵，考慮在水泵出口管道上設(shè)置具有快慢關(guān)閉功能的液力自動(dòng)工作閥，其關(guān)閉規(guī)律采用2.0 s快關(guān)90%的開度，剩余10%的開度慢關(guān)30 s。

采用KYPipe軟件，對(duì)水泵僅加液力自動(dòng)工作閥作為水泵出口止回閥的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，得到管線運(yùn)行水力包絡(luò)線，見圖2。

軟件計(jì)算結(jié)果表明，僅加液力自動(dòng)工作閥作為水泵出口止回閥的防護(hù)條件下，水泵出口壓力最大值為152.50 m，為額定值的1.04倍；止回閥出口壓力最大值為183.50 m，為額定值的1.26倍，均未超過(guò)規(guī)范值規(guī)定的1.3～1.5倍，滿足規(guī)范要求；水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)；上水管全線均未出現(xiàn)負(fù)壓情況，滿足規(guī)范要求。

圖2 中轉(zhuǎn)上水池提水方案水力包絡(luò)線

3 輸水管線方案比選

從兩種管線方案的水泵選型及水力過(guò)渡過(guò)程模擬仿真分析結(jié)果可知：

1) 技術(shù)運(yùn)維方面。一站式提水方案的上水管線起伏大，存在多個(gè)高點(diǎn)，需增加各式水錘防護(hù)設(shè)備(泄壓閥、空氣閥及帶開度調(diào)節(jié)的閘閥)，其設(shè)備后期的運(yùn)行維護(hù)難度大，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，整個(gè)泵站系統(tǒng)極易發(fā)生停泵水錘，對(duì)人身及設(shè)備安全造成較大隱患。而中轉(zhuǎn)上水池提水方案通過(guò)在高點(diǎn)修建中轉(zhuǎn)上水池，在根本上降低了停泵水錘造成危害的可能性，其可靠性要高于一站式提水方案的設(shè)備加持作用，且上水池距離泵站較近，水池日常運(yùn)行維護(hù)較為方便。

2) 經(jīng)濟(jì)投資方面。兩種方案的水泵選型相同，裝機(jī)相同，故泵站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備投資及泵站后期運(yùn)行費(fèi)用上基本一致；兩種方案的總管線長(zhǎng)度相差無(wú)幾，管徑相同，管線投資幾乎相同。但由于提水方案不同，兩種方案所采用的水錘防護(hù)方案相差較大，即中轉(zhuǎn)上水池提水方案中設(shè)置的中轉(zhuǎn)上水池可明顯改善泵站提水系統(tǒng)的正壓升壓及負(fù)壓狀況，雖增加上水池的工程投資(約70.2萬(wàn)元，含征地及施工費(fèi)用)，但相比一站式提水方案所需裝設(shè)的水錘防護(hù)設(shè)備的投資(150.94萬(wàn)元)而言，中轉(zhuǎn)上水池提水方案要節(jié)省80.74萬(wàn)元。

綜合分析，設(shè)計(jì)優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越、運(yùn)行維護(hù)方便的中轉(zhuǎn)上水池提水方案。

4 結(jié) 論

科學(xué)規(guī)劃和合理布局輸水管線對(duì)確保高揚(yáng)程、長(zhǎng)距離輸水工程發(fā)揮效益和順利實(shí)施起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)遵義市湘江上游河段生態(tài)補(bǔ)水工程輸水管線方案的KYPipe軟件模擬仿真分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，主要取得如下結(jié)論：

1) 一站式提水方案由于有壓輸水管線長(zhǎng)、揚(yáng)程高，較中轉(zhuǎn)上水池提水方案其水錘防護(hù)措施復(fù)雜，后期運(yùn)行維護(hù)難度較大；中轉(zhuǎn)上水池提水方案較一站式提水方案雖增加了上水池工程投資，但其水錘防護(hù)簡(jiǎn)單，綜合投資相對(duì)還節(jié)省80.74萬(wàn)元。

2) 在高揚(yáng)程、長(zhǎng)距離輸水的提水泵站工程中，若泵站站址附近具備修建中轉(zhuǎn)水池的地形條件下，修建中轉(zhuǎn)水池可大幅降低泵站提水系統(tǒng)的水錘防護(hù)難度及相應(yīng)的設(shè)備投資，提高泵站運(yùn)行的可靠性及安全性。