非洲贊比亞卡夫拉夫塔供水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

何文宇

摘要：本文以贊比亞卡夫拉夫塔供水工程為例，闡述了長(zhǎng)距離輸水管線中二次增壓泵站選址的要點(diǎn)，著重研究了地形對(duì)水泵揚(yáng)程和系統(tǒng)方案的影響。結(jié)合非洲實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行水錘模擬，綜合比選了防水錘型復(fù)合排氣閥，水錘預(yù)作用閥與內(nèi)膽式水錘消除罐的水錘防護(hù)效果。隨著“一帶一路”項(xiàng)目的日益增多，本文對(duì)于非洲地區(qū)類似原水輸水工程具有借鑒意義。

Abstract： This paper took Zambia Kafulafuta Water Supply Project in Africa as an example， expounded the key points of the site selection of the secondary booster pump station in the long-distance water transmission project， and studied the influence of topography on the pump head and system scheme. This paper considered the actual situation in Africa， and conducted the water hammer simulation. Water hammer compound exhaust valve， water hammer preaction valve， water hammer elimination tank were compared. With the increasing number of "The Belt and Road" projects， this paper is of reference significance for similar raw water transmission projects in Africa.

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離輸水;泵站選址;水錘模擬;一帶一路

Key words： long-distance water transmission;site selection of pump station;water hammer simulation;The Belt and Road

中圖分類號(hào)：TU991.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）03-0291-05

0? 引言

贊比亞銅帶省早在1984年就委托英國(guó)阿特金斯公司對(duì)恩多拉地區(qū)的進(jìn)行水源規(guī)劃，并于1986年編制了《恩多拉長(zhǎng)期用水研究：卡夫拉夫塔水源可行性研究》，可研成果確定在現(xiàn)狀水源卡夫布河的基礎(chǔ)上，在卡夫拉夫塔河上新建大壩，明確優(yōu)先選擇卡夫拉夫塔河作為恩多拉區(qū)域的主水源，改善區(qū)域供水水質(zhì)，提升供水安全性，形成雙水源供水格局，保護(hù)當(dāng)?shù)鼐用窠】?，促進(jìn)該區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綜合、穩(wěn)定發(fā)展。

近年來(lái)，由于銅帶省快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化，污水處理廠設(shè)施陳舊，現(xiàn)狀取水水源卡夫布河受污染嚴(yán)重，取水無(wú)法滿足要求。贊比亞地方政府和住建部決定重啟卡夫拉夫塔供水工程。在“一帶一路”倡議的指引下，中國(guó)公司主導(dǎo)了本工程的設(shè)計(jì)咨詢及建設(shè)，項(xiàng)目的建設(shè)獲得了當(dāng)?shù)鼐用窦罢恼J(rèn)可與支持。

本工程位于贊比亞銅帶省，近期建設(shè)任務(wù)為替換Kafubu水廠（8.1×104m3/d），Mikomfwa水廠（2×104m3/d），Makoma水廠（5.7×104m3/d）和Boma水廠（0.125×104m3/d）的原水水源，供水規(guī)?？傆?jì)15.925×104m3/d。由于恩多拉市遠(yuǎn)期用水片區(qū)及增長(zhǎng)率的不確定性，取水泵站、中間加壓泵站及至四個(gè)水廠的管線，均按近期規(guī)模建造。考慮四座水廠部分自用水量和原水輸水管道漏損水量后，確定本工程設(shè)計(jì)流量為17.5×104m3/d。

1? 原水系統(tǒng)方案分析

根據(jù)業(yè)主方提供的原始系統(tǒng)方案，近期原水通過(guò)大壩內(nèi)的分層取水塔取水，通過(guò)1根DN1400原水管輸送至取水泵房，串聯(lián)增壓后通過(guò)一根DN1200原水管敷設(shè)至中途增壓泵站，中途分配0.125×104m3/d原水至Boma水廠。中途增壓泵站出水分別敷設(shè)DN800，DN600，DN1000原水管至Makoma、Mikomfwa、Kafubu三座水廠。原始系統(tǒng)方案如圖1所示。

原始方案主要存在問(wèn)題如下：

①沿線高低起伏，取水泵房至增壓泵房8.3km處有中途高點(diǎn)1215m（贊比亞高程，下同）;增壓泵房至Kafubu水廠30km處有中途高點(diǎn)1253m，取水泵站和中途增壓泵站水泵揚(yáng)程因此增加，高點(diǎn)之后的重力流高差較大，導(dǎo)致存在近水頭浪費(fèi)的情況;

②中途增壓泵站出廠三根原水管存在3.5km并線敷設(shè)，管線多重復(fù)路徑，占用管道敷設(shè)的土地資源，增加管長(zhǎng)和維護(hù)管理，管線漏失幾率增大，管線水損增加;

③對(duì)于Makoma水廠來(lái)說(shuō)，中途增壓幅度不大，但二次提升增加水頭損耗;

④中途增壓泵站至Kafubu水廠存在路由和管徑優(yōu)化余地;

⑤原方案未提及水錘防護(hù)措施，非洲低區(qū)管理水平差，用電可靠性低，高揚(yáng)程水泵房輸水安全性難以保證，需配備防水錘措施。

針對(duì)原始方案存在的問(wèn)題，本文主要從中途增壓泵站選址，部分管徑優(yōu)化，水錘防護(hù)等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2? 系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 中途增壓泵站選址優(yōu)化

通過(guò)對(duì)原方案的分析，取水泵站揚(yáng)程為84m，地面標(biāo)高1166m，距離取水泵站約8.3km處為局部高點(diǎn)，標(biāo)高1215m，中途增壓泵站標(biāo)高1169m，距離取水泵站14.4km。根據(jù)水力計(jì)算，如敷設(shè)一根DN1200原水管，需約84m可越過(guò)中途高點(diǎn)，此時(shí)原水進(jìn)入中途增壓泵站尚有約30m富余，需減壓進(jìn)水，存在水頭浪費(fèi)，供水安全性也較差。

2.1.1 方案一

方案一充分利用取水泵站為越過(guò)中途高點(diǎn)而增加的揚(yáng)程，將泵站往北移動(dòng)約5.2km至標(biāo)高1192m處，對(duì)應(yīng)水力坡降線如圖2中方案一所示。本方案取水泵站揚(yáng)程由84m提高至90m，避免了原水泵房水泵揚(yáng)程的浪費(fèi)，同時(shí)減少了泵站后管線的重復(fù)路徑，降低了中途增壓泵站的揚(yáng)程。

2.1.2 方案二

方案一中增壓泵站至Makoma方向二次增壓揚(yáng)程不高（約48m），由于該地區(qū)地形南低北高，中途增壓泵站理論上可繼續(xù)北移至高程適當(dāng)?shù)奈恢?，從而徹底省去中途增壓泵站至Makoma水廠方向的二次提升，在減少同路徑分壓多管供水的同時(shí)，中途增壓泵站前延長(zhǎng)了大管道統(tǒng)一輸水的距離，輸水損失更小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，往北2.7km處地面高程合適，可省去至Makoma水廠方向的二次增壓。經(jīng)計(jì)算，中途增壓泵站至Makoma水廠的原水管管徑需從DN800放大至DN900，已確保原水進(jìn)入Makoma無(wú)需二次增壓。對(duì)應(yīng)水力坡降線如圖2中方案二所示。

2.1.3 中途泵站選址結(jié)論

兩個(gè)中途泵站選址方案具有的特點(diǎn)如下：①?gòu)哪芎慕嵌?，兩個(gè)方案均避免了因跨越中途高點(diǎn)而造成的取水泵站揚(yáng)程浪費(fèi);②從管理角度，方案二省去了至Makoma水廠的二次增壓，管理更為便捷，運(yùn)行能耗也有所節(jié)省;③從征地角度，符合方案二所需標(biāo)高的泵站用地權(quán)屬為宗教用地，征地成本較高，談判周期較長(zhǎng)。方案一用地隸屬于卡夫布水司，實(shí)施可行性較高;④從近遠(yuǎn)期結(jié)合角度，由于遠(yuǎn)期供水方向的不確定性，方案二用地較為緊張，遠(yuǎn)期擴(kuò)建難度大于方案一。

權(quán)衡以上幾方面利弊后，盡管方案二具有諸多優(yōu)勢(shì)，本工程最終確定方案一為中途增壓泵站選址。

2.2 中途泵站至Kafubu水廠管徑優(yōu)化

本工程除取水泵站至中途增壓泵站存在中途高點(diǎn)外，中途增壓泵站至Kafubu水廠同樣存在中途高點(diǎn)，高點(diǎn)標(biāo)高1250m，距離中途增壓泵站約25km。原設(shè)計(jì)方案采用1跟DN1000原水管至Kafubu水廠，經(jīng)水力計(jì)算，需水泵揚(yáng)程154m，進(jìn)廠前仍需消能約21m。考慮到供水安全性以及管道的經(jīng)濟(jì)性，擬在最高點(diǎn)后，將DN1000管徑縮至DN800，原水越過(guò)最高點(diǎn)后，重力進(jìn)入Kafubu水廠，水廠進(jìn)水前設(shè)置持壓閥以保障進(jìn)水安全。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)論

根據(jù)以上中途泵站選址的比選以及至Kafubu水廠方向管徑優(yōu)化，本工程確定的供水系統(tǒng)方案如圖3所示。根據(jù)本工程各管段的壓力工況，結(jié)合管道首選壓力等級(jí)，大部分管徑的管道選用首選等級(jí)C25，均能滿足壓力要求，其中DN600首選等級(jí)為C30。

3? 水錘防護(hù)及優(yōu)化

水錘通常起因于水泵的快速啟動(dòng)和開閥停車，閥門的快速開啟和關(guān)閉，系統(tǒng)邊界條件的快速變化，用水需求的驟然變化，輸水管線的故障（管道斷裂或封凍），管道的充水和排空以及液控液控閥門或調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作等。其中，停泵水錘、關(guān)閥水錘是最普遍，破壞性最強(qiáng)的一種水力瞬態(tài)事件。

贊比亞銅帶省基礎(chǔ)設(shè)施水平較低，停電發(fā)生概率高，當(dāng)?shù)毓芾硭捷^低，因此考慮進(jìn)行水錘防護(hù)分析。通常利用水錘防護(hù)設(shè)備延遲并減緩水力瞬變的發(fā)生過(guò)程，管道水流降壓或者發(fā)生負(fù)壓時(shí)向管內(nèi)注氣或注水，而升壓時(shí)向管道外部排氣或排水。水錘防護(hù)設(shè)備主要有壓力波動(dòng)預(yù)止閥、空氣閥、單向調(diào)壓塔、氣壓罐等。

3.1 防護(hù)措施

3.1.1 防水錘型復(fù)合排氣閥

防水錘型復(fù)合式排氣閥為防止充水速度過(guò)快產(chǎn)生水錘，設(shè)置有防水錘、降噪組件，具備快開緩閉功能及配件。防水錘排氣閥先快速大量排氣到設(shè)定壓力后，再緩慢排放剩余全部微量氣體，從而避免因排氣速度過(guò)快，管線壓力迅速上升而導(dǎo)致水錘及撞擊。

3.1.2 水錘預(yù)作用閥

水錘預(yù)作用閥用以防止水泵開啟和關(guān)閉或停電而造成停泵時(shí)管道系統(tǒng)中所引起的壓力波動(dòng)，能夠可靠地保護(hù)水泵及輸水管道。管道當(dāng)中的壓力波動(dòng)往來(lái)迅速，出現(xiàn)時(shí)段可能為瞬時(shí)現(xiàn)象，普通水力控制閥只能在連續(xù)的升壓或持續(xù)的降壓工況下打開，在瞬間出現(xiàn)的快速壓升或者壓降工況下，往往無(wú)法開啟。電磁聯(lián)動(dòng)式水錘預(yù)作用閥通過(guò)與壓力傳感器的結(jié)合，可以避免一般安全泄壓閥打開不及時(shí)的現(xiàn)象，確保系統(tǒng)安全[1]。

除預(yù)防壓力波動(dòng)外，水錘預(yù)作用閥還具有防止系統(tǒng)超壓，即安全閥功能。當(dāng)系統(tǒng)壓力持續(xù)升高，并超出高壓控制導(dǎo)閥的設(shè)定值，主閥可立即開啟，泄放系統(tǒng)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至正常壓力范圍，低于導(dǎo)閥設(shè)定值時(shí)，主閥自動(dòng)緩慢關(guān)閉。

系統(tǒng)在正常壓力工況下為常關(guān)型閥門，在壓力波動(dòng)下開啟時(shí)能保證自動(dòng)復(fù)位功能，并在復(fù)位時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行線型關(guān)閉，不會(huì)由于閥門關(guān)閉速度不當(dāng)而產(chǎn)生二次壓力波動(dòng)。

3.1.3 內(nèi)膽式水錘消除罐

內(nèi)膽式空氣罐利用罐內(nèi)氣體受到管線上的壓力作用壓縮，形成緩沖氣囊，并利用氣體的可壓縮性對(duì)瞬變流當(dāng)中的壓力波動(dòng)起到緩沖作用，從而進(jìn)行水錘防護(hù)。

3.2 瞬變流無(wú)保護(hù)工況

3.2.1 泵站處壓力波動(dòng)曲線

當(dāng)取水泵站至中途增壓泵站未設(shè)置水錘防護(hù)措施時(shí)，水泵止回閥速閉，沿程高點(diǎn)設(shè)置普通排氣閥，盡管取水泵站揚(yáng)程為90m，在泵站瞬間失電工況下，中途第一個(gè)高點(diǎn)前（約4km），存在明顯的彌合水錘，需要針對(duì)性的防護(hù)。從圖4可知，事故斷電35s左右，泵后承受的最大正壓力超過(guò)150m，事故斷電270s左右，最大正壓力可達(dá)到260m，同時(shí)壓力波傳回泵站存在一定的負(fù)壓工況。

3.2.2 取水泵站至中途泵站管道壓力包絡(luò)線

根據(jù)圖5的無(wú)保護(hù)管道壓力包絡(luò)圖顯示，水柱彌合現(xiàn)象較為明顯，第一個(gè)高點(diǎn)前，管道最高壓力超過(guò)260m（1410-1150m），而此段管道為C25等級(jí)，水錘時(shí)存在爆管風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 瞬變流有保護(hù)工況

3.3.1 水錘預(yù)作用閥+防水錘型空氣閥

根據(jù)瞬變流無(wú)保護(hù)工況的模擬結(jié)果，以取水泵站到中途增壓泵站為例，考慮對(duì)應(yīng)的水錘防護(hù)措施：①在取水泵站處設(shè)置2臺(tái)DN300水錘預(yù)作用閥;②泵站出口以及第一個(gè)高點(diǎn)（4214m）之前設(shè)置DN150防水錘型空氣閥，沿線設(shè)置復(fù)合排氣閥;③由于負(fù)壓情況基本不存在，暫不考慮設(shè)置調(diào)壓塔等設(shè)施。

根據(jù)模擬結(jié)果，泵站失電后，水錘防護(hù)措施發(fā)揮作用，泵站處最大正壓力由無(wú)保護(hù)前的260m顯著減弱，斷電后300s內(nèi)，壓力波動(dòng)基本維持在50-60m之間。同時(shí)管道沿線壓力包絡(luò)圖顯示，第一個(gè)高點(diǎn)前管道最高壓力由260m降至85m（1245-1160m）。

通過(guò)水錘預(yù)作用閥+防水錘型空氣閥的組合，取水泵站至中途增壓泵站段的管線得到了有效的保護(hù)，使沿線管線在合理、安全的壓力下運(yùn)行。（圖6、圖7）

3.3.2 內(nèi)膽式水錘罐+防水錘型空氣閥

方案二考慮采用內(nèi)膽式水錘罐+防水錘型空氣閥的水錘防護(hù)方式：①在取水泵站處設(shè)置1臺(tái)60m3內(nèi)膽式空氣罐，替代水錘預(yù)作用閥;②第一個(gè)高點(diǎn)（4214m）之前設(shè)置DN150防水錘型空氣閥，沿線根據(jù)工程實(shí)際情況，設(shè)置復(fù)合排氣閥;③方案一中泵站出口處的防水錘型空氣閥可不設(shè)置。

根據(jù)模擬結(jié)果，水錘罐作用較為明顯，最大正壓力顯著減弱，并且波動(dòng)更為平緩，產(chǎn)生負(fù)壓概率更低。管道沿線壓力包絡(luò)圖顯示，第一個(gè)高點(diǎn)前管道最高壓力為70m（1250-1180m），顯著低于無(wú)保護(hù)工況，也低于設(shè)置水錘預(yù)作用閥的工況。（圖8、圖9）

3.3.3 水錘防護(hù)結(jié)論

通過(guò)以上防水錘方式的模擬，兩種方式均能夠?qū)芫€系統(tǒng)起到保護(hù)，失電時(shí)，泵后最大壓力均可由無(wú)保護(hù)工況時(shí)的260m降至50-60m，同時(shí)根據(jù)管道壓力包絡(luò)線，取水泵站至中途泵站管道所承受最大壓力分別降至85m（1245-1160m）和70m（1250-1180m）。然而，根據(jù)調(diào)研，當(dāng)?shù)貙?duì)于水錘罐的維護(hù)能力較差，有較多泵房由于水錘罐損壞，目前處于無(wú)保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)。本項(xiàng)目取水泵站壓力不高，兩種方式均能對(duì)管線的水錘防護(hù)效果相近，而水錘罐投資略高于水錘預(yù)作用閥門，且維護(hù)不易，占地較大，因此對(duì)于取水泵站到中途增壓泵站，本文推薦采用“水錘預(yù)作用閥+防水錘型空氣閥”的組合防護(hù)方式，沿線設(shè)置2臺(tái)DN300水錘預(yù)作用閥，4臺(tái)DN150防水錘型空氣閥（水泵站處亦需要考慮1臺(tái)）。通過(guò)對(duì)其余各管段的水錘模擬，同樣推薦以上的水錘防護(hù)方式。

4? 結(jié)語(yǔ)

①本項(xiàng)目地處非洲，為長(zhǎng)距離輸水項(xiàng)目，項(xiàng)目應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行管理水平，水資源及電力供應(yīng)情況，對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選優(yōu)化。②系統(tǒng)選擇應(yīng)格外注意中途高點(diǎn)對(duì)水泵揚(yáng)程和泵站選址的影響，權(quán)衡取水泵站和中途泵站水泵的揚(yáng)程、泵站選址高程、管道壓力等級(jí)、沿線地形、征地難易和管材費(fèi)用等多方面的因素。③通過(guò)水錘軟件模擬分析，結(jié)合銅帶省實(shí)際情況及管理水平，綜合確定水錘防護(hù)方案。本工程推薦采用“水錘預(yù)作用閥+防水錘型空氣閥”的水錘防護(hù)方式。

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