大落差重力輸水在供水工程中的應(yīng)用

【摘要】大落差重力流管道輸水技術(shù)具有省電、節(jié)能、投資省、成本低、運行管理簡單、方便等優(yōu)點。本文介紹了有壓重力輸水管道設(shè)計中水力計算，管線布置，減壓消能，壓力水錘防護措施，排氣閥的設(shè)置及注意事項，為具備重力供水條件的工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】大落差；重力輸水；供水工程；應(yīng)用

油田供水工程為大落差、長距離的重力流管道輸水工程，為大落差、長距離的重力流輸水管道工程積累了經(jīng)驗，通過大落差重力輸水在昆北油田供水工程中的應(yīng)用。

一、工程概況

油田位于地面海拔在3000～3200m，水源地地貌為沙丘和草地，海拔高度在3448.89米。工程主要為供該油田生活用水和油田注水。供水管線線路總長度為29.67km，其中水源地距接轉(zhuǎn)站14.82km，采用供水管線管徑為：DN200。管線材質(zhì)定為Q235螺旋焊縫鋼管，管線規(guī)格為D219×6。

二、水壓線計算方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗，水壓線計算自控制點起，逐段計算至起點?？刂泣c的水壓根據(jù)使用要求已定，起點水壓通過計算方可確定，這就是通常所說的“自下游向上游的水壓計算方法”。這種計算方法為輸水管道設(shè)計規(guī)定了一個不容易出錯、不容易走入誤區(qū)的計算方法。但是，目前的一些重力流管道設(shè)計沒有嚴(yán)格執(zhí)行這個計算方法。相反的采用一種在水泵壓力供水中工程，設(shè)計人員經(jīng)常采用的并經(jīng)工程設(shè)計檢驗為正確的“自上游向下游的計算方法”。在重力流管道設(shè)計中，當(dāng)采用自上游向下游計算方法，調(diào)整管徑使得上游起點和下游終點的水頭損失相等或略小于地形高差，這種計算結(jié)果與“自下游向上游的水壓計算方法”得出的結(jié)果是一樣的，不會出現(xiàn)問題。但是，當(dāng)存在大管徑小流量運行狀態(tài)時，即水頭損失小于地形高差時，就要看重力輸水管道的流量調(diào)節(jié)方式。重力輸水管道流量調(diào)節(jié)方式分為上游和下游兩種方式。如果采用上游調(diào)節(jié)流量的方式，還采用這種計算方法，就會出現(xiàn)計算謬誤。因為流量小于設(shè)計流量，管道中就會出現(xiàn)無壓流，卻用壓力管道流的公式計算，就會得到接近落差的壓力水頭的錯誤結(jié)果。如果采用下游調(diào)節(jié)流量的方式，兩種方法得到結(jié)算結(jié)果是一樣的，在管道末端會出現(xiàn)一個很大的富裕壓力水頭，這時管道的承壓等級按靜水壓考慮，管材承壓等級高，投資相應(yīng)增大。因此，在重力流輸水管道設(shè)計，如果出現(xiàn)大管徑小流量的運行狀態(tài)，要結(jié)合流量調(diào)節(jié)方式，選用不同的水壓計算方法，合理的選擇管徑和壓力等級。

三、輸水管道布置

油田供水工程自寬溝水源井集水間取水，水源地沒有設(shè)置調(diào)節(jié)水池，直接由水源井供水，管道的供水流量隨下游油田生產(chǎn)生活用水量的變化而變化。管道沿線地形高差大，管線距離長，管線中途有大流量分支接出，用水點分散。因此管道運行工況復(fù)雜，對管道的運行安全極為不利。根據(jù)工程用水實際節(jié)點，維護管理的難易度，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，輸水管道分成兩段，每段地形落差為水源點與用水點的實際落差，各分段間設(shè)置減壓閥，以降低后段管線的承壓等級。結(jié)合工程地形條件，相關(guān)規(guī)范要求及已建重力流工程經(jīng)驗，在地形隆起處布置吸氣排氣閥8座，地形低洼處設(shè)置泄水閥6座。

四、減壓消能措施

由于寬溝水源至昆北聯(lián)合站地形高差很大，相應(yīng)的輸水管線的落差也很大，根據(jù)水力計算結(jié)果，寬溝水源轉(zhuǎn)站在設(shè)計流量條件下管道計算內(nèi)壓為180m 水柱之多。寬溝水源聯(lián)合站計算內(nèi)壓為360m 水柱，而且靜水壓力高達450m 水柱。根據(jù)一般的輸水工程經(jīng)驗，內(nèi)壓超過80m 水柱時，管道接頭、閥門連接件等處容易出現(xiàn)滲漏、損害等故障，且影響管道整體安全。因此根據(jù)本工程輸水管道系統(tǒng)中存在靜水頭和關(guān)閥、開閥、正常運行及流量調(diào)節(jié)等水錘壓力大的問題，需要采取減壓消能的措施，以降低管道正常運行水壓和靜壓，提高管路運行的可靠性和經(jīng)濟合理性。

1、減壓消能方案。重力供水減壓消能的工程方案有設(shè)置減壓水池和減壓閥兩種方案。減壓池存在占地面積大，建設(shè)投資大、工期長，管理不便，而且容易造成水源的二次污染及曝氧問題，而且油田依托條件差，維護管理成本高，對下游油田注水除氧工藝不利等缺點，經(jīng)過綜合比對，工程采用了設(shè)置減壓恒壓閥的方案。經(jīng)過水力計算對比，管道全程設(shè)二級減壓閥即可滿足要求，減壓閥分別設(shè)置在K14+805和K29+305樁號處，減壓閥采用高壓恒壓減壓閥。該減壓消能方案可大幅度降低管道正常運行各種不同工況下的動水和靜水壓力，也能滿足接轉(zhuǎn)站和聯(lián)合站的用水水壓要求。減壓措施前后的管道縱斷面和水壓線簡圖見圖。

2、高壓減壓閥的作用、類型構(gòu)造及基本工作原理。高壓減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，它可將閥前管路較高的水壓減少至閥后管路所需的水平。出口壓力不受進口壓力和流量變化的影響，既可減靜壓，又可減動壓。高壓減壓閥按結(jié)構(gòu)形式可分為膜片式、彈簧薄膜式、活塞式、杠桿式和波紋管式；按閥座數(shù)目可分為單座式和雙座式；按閥瓣的位置不同可分為正作用式和反作用式。高壓減壓閥的工作由閥后壓力進行控制。當(dāng)壓力感應(yīng)器檢測到閥門壓力指示升高時，減壓閥閥門開度減小；當(dāng)檢測到減壓閥后壓力減小，減壓閥閥門開度增大，以滿足控制要求。

結(jié)論：

1）大落差中重力供水較水泵壓力供水具有省電、節(jié)能、成本低、運行管理簡單、方便的優(yōu)點。在油田具備地形重力供水的地區(qū)，它是一種值得推廣的理想供水方式。

2）重力壓力輸水管道因上下游流量調(diào)節(jié)方式的不同，管道的流態(tài)會不同，特別是輸水流量較小情況下，應(yīng)根據(jù)不同調(diào)節(jié)方式，采用不同的水力計算方法。

3）重力有壓輸水管道的減壓閥建議采用減壓恒壓閥，可實現(xiàn)在最大設(shè)計流量時不減壓消能，而僅消減小流量運行時產(chǎn)生的富裕水頭。

在長距離高落差重力流供水工程中， 閥前初始內(nèi)水壓力較大， 如閥門操作不當(dāng)導(dǎo)致閥前壓力過大，會嚴(yán)重威脅輸水系統(tǒng)的安全運行。根據(jù)推導(dǎo)了有摩阻管道首相水錘的閥前壓力解析公式及其閥調(diào)節(jié)關(guān)閉規(guī)律； 公式正確反映了閥前壓力與其一段直線關(guān)閉規(guī)律兩者之間的關(guān)系， 且精度較高。

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