淹沒式多噴孔調(diào)流閥在大落差重力流供水管道中的應(yīng)用

胡耀譜,劉 玲,曾云峰

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,武漢 430010; 2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 崇州 611213)

四川山區(qū)地形復(fù)雜,山地較多,包裹盆地,水資源時空分配不均,很多地區(qū)缺水嚴(yán)重,不能滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,因此,必須建立切實可用的供水工程,以緩解水資源供需不足的問題,解決城鎮(zhèn)發(fā)展對水的需求。工程實踐得知,將淹沒式調(diào)流閥用于大落差重力流供水管道分級減壓,能有效確保供水的安全性和可靠性,是行之有效的控流減壓供水措施。

1 工程概況

樂山市某縣城供水工程,包括取水工程、輸水管道、凈水廠和供水管道等4部分,水廠總供水規(guī)模1.2萬m3/d,供水管道起端接凈水廠清水池,容積1 800 m3,末端接入縣城400 m3高位水池,管道樁號K0+000～K4+276.97,管道長4.277 km,流量0.208 m3/s,供水主管采用單根D426×9 mm螺旋焊接鋼管,管道首尾水池落差760 m。

2 減壓方式的選擇

供水主管首末兩端落差高達760 m,必須采取分級減壓消能方式,每級減壓100 m左右。根據(jù)同類工程經(jīng)驗,可以在每段管道末端設(shè)閘閥和消能設(shè)施,將各段管道所承受的最大靜水頭轉(zhuǎn)為相鄰設(shè)施間形成的最大地形差,通過分級消能方式減小了管道工作壓力。與此同時,因管道設(shè)計糙率與實際糙率的不同而產(chǎn)生的剩余水頭也可通過減壓設(shè)施來減小或消除[1]。常用的管道減壓設(shè)施有減壓池、減壓閥、調(diào)流閥。

2.1 減壓池

減壓池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),通過管道將高壓水引入水池內(nèi),強烈沖擊到水池底部(可在池底增設(shè)防沖措施),使水流與池底、內(nèi)壁激烈碰撞,翻滾,消除絕大部分能量后再從出水管排走。優(yōu)點是基本消除管道自由水頭,減壓效果明顯,水錘波也被減壓池隔斷,水池前后管道水壓互不影響;缺點是難以控制管道中的高壓水流,實施中會造成自來水的浪費,多級減壓模式下,流量更難同用戶需求相匹配。典型減壓池結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 減壓池結(jié)構(gòu)

2.2 減壓閥

減壓閥按作用分為定壓式和比例式[2],定壓減壓閥的特點是進口端壓力和流量發(fā)生變化時,出口端的壓力保持在設(shè)定的壓力值;比例式減壓工作原理是利用閥體中浮動活塞的水壓比來進行控制,其特點是進出口端減壓比與進出口側(cè)活塞面積比成反比。為了滿足大落差輸水管道中不同用水點的水壓要求,一般采用既能減小動壓又能減小靜壓,且能穩(wěn)壓的定壓式減壓閥。

定壓式減壓閥的優(yōu)點總結(jié)如下：①減壓效果好;②能夠控制流量;③閥門造價較低;④管道封閉性好,不會影響水質(zhì)。缺點如下：①水錘防護效果較差,管道承壓等級要求高;②安全性低,對減壓閥質(zhì)量要求高;③管道存在氣蝕現(xiàn)象,運行時存在噪音和振動。

2.3 調(diào)流閥

本工程選用的淹沒式多噴孔調(diào)流閥[3],將消能和閘閥控制功能合二為一,兼具減壓池消能和減壓閥控制流量的優(yōu)點,安裝示意見圖2。壓力水通過噴孔以高速水流噴出,水流在水池中碰撞消能,通過動力驅(qū)動外筒上下移動控制內(nèi)筒射流孔數(shù),可達到調(diào)節(jié)流量的目的。

圖2 淹沒式多噴孔調(diào)流閥安裝示意

多噴孔淹沒式調(diào)流閥優(yōu)點如下：①多噴孔淹沒式流量調(diào)節(jié)閥在高壓差和高、低流量下,不產(chǎn)生氣蝕破壞和振動;②閥門開度和流量關(guān)系呈線性,可以精確地調(diào)節(jié)流量,調(diào)流區(qū)間大;③使用壽命可達30年以上,維護成本低;④閥門操作力小,可以多種方式驅(qū)動,如電力、液壓等,適應(yīng)性好;⑤消能、減壓范圍廣。缺點主要是造價高、適用于清水消能,當(dāng)用于配水管時,需根據(jù)水質(zhì)情況二次加氯。

本工程供水管道需要適應(yīng)自來水系統(tǒng)的日高峰和月高峰供水量,管道中流量波動大,這就要求有靈活可靠的流量、壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)有效控制,簡單采用減壓池減壓會造成自來水的浪費,且供水系統(tǒng)不穩(wěn)定。若采用減壓閥,當(dāng)遭遇上游減壓閥失效工況,將無法保證減壓能力,此時需要消減的壓力會超過下游減壓閥的能力,導(dǎo)致下游減壓閥關(guān)閉或損壞。因此,下游減壓閥閥前管段、閥門和管道附屬建筑物的承壓需要按照未減壓時的全線靜壓進行設(shè)計,否則,上游減壓閥損壞失效時,下游管道壓力陡增,如果承壓能力不夠,將導(dǎo)致爆管事故,若全線管道承壓能力均按未減壓時靜壓的1.2倍進行設(shè)計,那么管道末端承壓將會高達9.0 MPa,安全風(fēng)險難以承受。

減壓方案確定過程中,也分析了減壓閥和淹沒式多噴孔調(diào)流閥間隔布置方式,但考慮到供水管道管徑較大、每級減壓閥需要削減能量較大,將導(dǎo)致減壓閥使用壽命縮短,同時,為保證供水系統(tǒng)的安全可靠,每處減壓閥還需一用一備并聯(lián)布置,后期更換維護代價高。

經(jīng)過綜合比選,結(jié)合業(yè)主和閥門廠家建議,最終選用管道全線均采用淹沒式多噴孔調(diào)流閥減壓,將調(diào)流閥與減壓池結(jié)合。若調(diào)流閥失效,富余水壓在減壓池內(nèi)消減,不會繼續(xù)向下游傳遞,有效保證了管線安全,此方案下的管道水壓基本控制在1.2 MPa左右。因調(diào)流閥沿線電力不穩(wěn)定,故全部閥門全部采用水力控制,減壓設(shè)施自2022年投入運行以來,未發(fā)生任何故障,運行穩(wěn)定可靠。

3 管道水力計算和水錘分析

3.1 管道水力計算

結(jié)合工程地形、周邊環(huán)境、分水口布置情況,分別在樁號K0+487.64、K1+347.64、K1+952.81、K2+488.43、K2+892.22、K3+289.53、K4+127.55設(shè)置調(diào)流閥。全段管線最大靜水壓力控制在1.2 MPa。該方案可大幅度降低管道正常運行時各種不同工況下的動水、靜水壓力,使管道壓力滿足安全運行的要求。采用海曾威廉公式計算,管材粗糙系數(shù)Ch取130,管道縱斷面及水壓線成果見圖3,因管道分段長度較短,減壓后的靜壓值和動壓值相差很小,最大靜壓為1.28 MPa。

圖3 輸水管分段減壓示意

3.2 水錘分析

水錘的本質(zhì)是水流動量變化引起水壓急劇上升或下降,水流單位時間內(nèi)動量變化越大,水壓沖擊波越大;動量變化的根源是管中流速改變,流速改變的快慢與關(guān)閥時間有關(guān)。本工程管道設(shè)計流量Q=0.208 m3/s,選取其中三段代表性的管道進行水錘壓力復(fù)核計算：管段一：L=0.86 km,靜水頭H=103.4 m,管徑0.4 m;管段二：L=0.84 km,靜水頭H=122.9 m,管徑0.4 m;管段三：L=0.54 km,靜水頭H=128．3 m,管徑0.4 m。

采用管道輸水工程技術(shù)中的水擊壓力公式計算水錘[4]。

式中,C為水錘波波速,m/s;d為管徑,m;e為管壁厚度,m;K為水的體積彈性模數(shù),kN/m2;E為管材縱向彈性模數(shù),kN/m2,鋼管時,K/E=0.01;Tt為水錘相,s;L為計算管段長度,m;Hi為間接水錘水頭,m(關(guān)閥為正,開閥為負);V0為閥門前水的流速,m/s;Tg為關(guān)閥時間,s;g為重力加速度。需要注意的是,通過控制關(guān)閥時間大于水錘相,則不產(chǎn)生直接水錘。

經(jīng)計算,管道水錘壓力與管段末端關(guān)閥時間關(guān)系如表1所示。

表1 水錘壓力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明,水錘壓力與閥門關(guān)閉時間和管道長度有關(guān),而與管道靜水頭無關(guān),關(guān)閉時間越長,水錘壓力越小,管道長度越短,水錘壓力越小。本工程屬于短管,關(guān)閥時間控制在30 s即可將水錘壓力控制在靜水頭的10%以內(nèi),廠家將調(diào)流閥關(guān)閥時間設(shè)置為60 s,可以使水錘壓力低于5 m,保障安全運行。

4 結(jié)論

淹沒式多噴孔調(diào)流閥應(yīng)用于大落差重力流供水管道,文章中研究的分級減壓方法是在長期工程設(shè)計和實踐中總結(jié)的經(jīng)驗,在保證輸供水順利實施性的前提下,可以有效降低管道的靜水壓和動水壓,調(diào)節(jié)管道流量,并將水錘壓力在調(diào)節(jié)池中釋放,降低水錘壓力影響,確保管道安全運行,尤其適用于大流量、高精度、大落差的管道流量調(diào)節(jié)。為大落差重力流供水提供了寶貴的工程經(jīng)驗,可供類似工程設(shè)計和實施參考。