多水源地長(zhǎng)距離供水工程恒定流水力仿真研究

于海忠，王澤民，郎華偉，劉源，王學(xué)坤

（唐山市曹妃甸供水有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

長(zhǎng)距離供水工程的目的是解決不同流域、地區(qū)之間緊張的城市用水和生態(tài)環(huán)境用水問題，充分保證人們?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活中的用水需求[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供水需求不斷增加，供水工程的數(shù)量也在不斷擴(kuò)充，并呈現(xiàn)大型化和復(fù)雜化的趨勢(shì)[2-4]，現(xiàn)正從過往的單個(gè)泵站、單個(gè)水源地供水工程向復(fù)雜化、多目標(biāo)化的多泵站、多水源地聯(lián)合運(yùn)行供水工程發(fā)展[5]。然而，由于存在多個(gè)水源地，管道沿線需要設(shè)計(jì)并預(yù)留數(shù)個(gè)進(jìn)水口，管道系統(tǒng)則由單一的主干管變?yōu)楹卸鄠€(gè)分支管匯集的輸水管道系統(tǒng)，這也增加了系統(tǒng)后期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)[6]。對(duì)于多泵站、多水源地供水工程，由于水源地的進(jìn)水口水位不同，不同泵站機(jī)組之間的水泵揚(yáng)程存在差異[7]，要求滿足管道過流的同時(shí)，管道沿程水體壓力需控制在一定范圍之內(nèi)。若水壓控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致水壓較低，不滿足用戶用水需求，甚至是管道內(nèi)的水體倒流[8]，影響供水工程效益；或者是水壓超過管道承壓標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致水管破裂，引發(fā)嚴(yán)重的供水事故[9]。

因此，建立與實(shí)際相符合的供水管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型是解決管道水壓不平衡、水量分配不合理的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)供水安全的重要保障。本文通過建立不同工況下的恒定流水力仿真模型，對(duì)各泵站在不同的水位和流量下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，以及對(duì)各工況下管道系統(tǒng)沿線的瞬態(tài)壓力進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，對(duì)于多水源地、多泵站聯(lián)合供水管網(wǎng)工作效益的提升和管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 工程概況

某工程共有3 座水源站，第一水源A 泵站取水能力為8 200 萬m3/a，距離管網(wǎng)末端95.00 km，為主要供水泵站；第二水源B 泵站取水能力為5 000萬m3/a，距離管網(wǎng)末端約40.00 km；第三補(bǔ)充水源C 泵站取水能力約為2 000 萬m3/a，距離管網(wǎng)末端約5.00 km。日常使用情況下，由A 與B 兩個(gè)泵站共同向管道末端輸水，當(dāng)A 泵站無法正常供水時(shí)，C 泵站作為備用水源進(jìn)行補(bǔ)充供水。供水工程供水系統(tǒng)總體示意圖見圖1。

圖1 某供水工程供水系統(tǒng)示意圖

設(shè)計(jì)輸水管道全長(zhǎng)95.55 km，采用2條壓力管道輸水，管徑為1 200 mm。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙管運(yùn)行總流量為2.60 m3/s，單管運(yùn)行時(shí)總流量為1.30 m3/s。A，B，C泵站進(jìn)水池運(yùn)行水位分別為28.30，2.70，7.50 m，為滿足末端用戶0.1 MPa 的用水需求，出水池運(yùn)行水位為10.00 m。輸水管道沿程縱斷面圖見圖2。

圖2 某供水工程輸水管道縱斷面圖

2 計(jì)算原理及數(shù)學(xué)模型

2.1 壓力管道的水力計(jì)算公式

管道中的水流流速和管道摩擦損失計(jì)算采用海曾-威廉公式：

式中：V為平均流速，m/s；C為海曾-威廉系數(shù)，取120；r為管道水力半徑，m；s為水力梯度的坡度；L為管道長(zhǎng)度，m；hL為管道長(zhǎng)為L(zhǎng)的摩擦水頭損失；Q為流量，m3/s；D為管道內(nèi)徑，m。

2.2 水泵節(jié)點(diǎn)控制方程

描述水泵特性的水泵全面性能曲線[10]是水力計(jì)算的基礎(chǔ)，現(xiàn)對(duì)水泵全特性曲線作如下轉(zhuǎn)換處理：

式中：WH( ) 為流量函數(shù)；WB( ) 為力矩函數(shù)；x為弧度制定義下的自變量；y為導(dǎo)葉開度；h，β，a，q分別為水頭、力矩、轉(zhuǎn)速和流量的無量綱值；M′1r為額定工況單位力矩，kN·m；x( )為無量綱函數(shù)；k1，k2為系數(shù)，取k1=1.1，k1=0.5。

2.3 閥門控制節(jié)點(diǎn)方程

一般情況下，出口閥門的過流方程：

式中：Qp為閥門流量，m3/s；Cd為閥門流量系數(shù)；AG為閥門開啟面積，m2；△Hp為過閥水頭損失；τ為閥門相對(duì)開度；Cr為閥門全開時(shí)的流量系數(shù)；Ar為閥門全開時(shí)的面積，m2。

3 多工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真模擬計(jì)算

3.1 日常運(yùn)行工況

日常運(yùn)行工況為兩管雙泵站運(yùn)行，由A，B 兩泵站向主管線供水，C 泵站停用。A，B 泵站機(jī)組總流量分別為2.85，0.95 m3/s，向A 泵站與B 泵站之間的用戶1 與用戶2 分別供水0.50，0.70 m3/s，供水系統(tǒng)保證管道內(nèi)雙管運(yùn)行總流量為2.60 m3/s。A，B 泵站取水端運(yùn)行水位分別為28.30，2.70 m，出水池水位為10.00 m。A 泵站（3 用1 備）水泵揚(yáng)程為58.37 m，單泵流量為0.95 m3/s；B 泵站（3 用1備）水泵揚(yáng)程為29.23 m，單泵流量為0.35 m3/s（2臺(tái)）與0.25 m3/s（1 臺(tái)），剩余流量皆進(jìn)入下庫(kù)。供水系統(tǒng)布置圖見圖3。

圖3 兩管雙泵站聯(lián)合運(yùn)行供水系統(tǒng)布置圖

A，B 泵站共同運(yùn)行能否穩(wěn)定過流需驗(yàn)證沿程內(nèi)水壓力是否滿足要求。供水沿線最小壓力原則上須滿足GB 50013—2006《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》，輸水管道系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)保證在各種設(shè)計(jì)工況下，管道不出現(xiàn)負(fù)壓。供水沿線最大壓力原則上須滿足GB/T 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5 倍。

雙管雙泵站運(yùn)行時(shí)，管道沿線內(nèi)水壓力分布見圖4。由圖4 可以看出，泵站管道沿線壓力最小值為7.10 m 水柱，位于樁號(hào)95+588 處，最大值為59.32 m 水柱，出現(xiàn)在樁號(hào)7+511 處。輸水管道不出現(xiàn)負(fù)壓，最大內(nèi)水壓力未超過承壓標(biāo)準(zhǔn)，即該工況下輸水系統(tǒng)滿足過流能力。

圖4 日常運(yùn)行工況管道沿線內(nèi)水壓力分布

3.2 常規(guī)檢修工況

常規(guī)檢修工況：主管線發(fā)生故障時(shí)，啟用C 泵站，檢修時(shí)以單管三泵站工況臨時(shí)運(yùn)行，即由A，B，C 三泵站向主管線單管供水。A，B，C 泵站機(jī)組總流量分別為0.80，0.54，0.56 m3/s，向A 泵站機(jī)組與B 泵站機(jī)組之間的用戶1 與用戶2 分別供水0.25，0.35 m3/s，保證管道末端運(yùn)行總流量為1.30 m3/s。A，B，C 泵站取水端運(yùn)行水位分別為28.30，2.70，5.50 m，出水池水位為10.00 m。A 泵站（3 用1 備）水泵揚(yáng)程為59.30 m，單泵流量為0.27 m3/s；B泵站（3 用1 備）水泵揚(yáng)程為29.56 m，單泵流量為0.17 m3/s（2 臺(tái)）與0.20 m3/s（1 臺(tái)）；C 泵站（3 用1備）水泵揚(yáng)程為12.44 m，單泵流量為0.19 m3/s，剩余流量皆進(jìn)入下庫(kù)。供水系統(tǒng)布置圖見圖5。

圖5 單管三泵站聯(lián)合運(yùn)行供水系統(tǒng)布置圖

單管三泵站運(yùn)行時(shí)，管道沿線內(nèi)水壓力分布見圖6。由圖6可以看出，泵站管道沿線壓力最小值為7.10 m，位于樁號(hào)95+588 處，最大值為58.87 m，出現(xiàn)在樁號(hào)7+511 處。輸水管道不出現(xiàn)負(fù)壓，即設(shè)計(jì)工況下輸水系統(tǒng)滿足過流能力。

圖6 常規(guī)檢修工況管道沿線內(nèi)水壓力分布

3.3 應(yīng)急搶險(xiǎn)工況

突發(fā)應(yīng)急工況為主泵站（A 泵站）停運(yùn)，B 泵站與C 泵站聯(lián)合運(yùn)行，由B，C 兩泵站向主管線供水。由于主管線停運(yùn)，B 泵站接入主管線節(jié)點(diǎn)處的原布置蝶閥關(guān)閉，僅考慮B 泵站接入管道節(jié)點(diǎn)的后續(xù)管道供水情況，此時(shí)B，C 泵站機(jī)組總流量分別為1.76，0.84 m3/s，供水系統(tǒng)保證雙管末端運(yùn)行流量為2.60 m3/s。B，C 泵站取水端運(yùn)行水位為2.70，7.50 m，出水池水位為10.00 m。B 泵站（4 用0 備）水泵揚(yáng)程為29.76 m，單泵流量為0.63 m3/s（2臺(tái)）與0.25 m3/s（2 臺(tái)），C 泵站（3 用1 備）水泵揚(yáng)程為13.81 m，單泵流量為0.28 m3/s。供水系統(tǒng)布置見圖7。

圖7 單管兩泵站聯(lián)合運(yùn)行供水系統(tǒng)布置圖

主泵站（A 泵站）停運(yùn)，B 泵站與C 泵站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，管道沿線內(nèi)水壓力分布見圖8。由圖8 可以看出，泵站管道沿線壓力最小值為7.10 m，位于樁號(hào)95+588 處，最大值為34.87 m，出現(xiàn)在樁號(hào)56+755 處。輸水管道不出現(xiàn)負(fù)壓，即該工況下輸水系統(tǒng)滿足過流能力。

圖8 應(yīng)急搶險(xiǎn)工況管道沿線內(nèi)水壓力分布

經(jīng)以上3 種工況下水力仿真模擬的計(jì)算結(jié)果可知，3 個(gè)泵站在不同的機(jī)組流量、水泵揚(yáng)程及管道布置條件下，均可滿足管道末端的供水需求。

4 結(jié)語

本文通過開展多泵站、多水源地長(zhǎng)距離供水管網(wǎng)恒定流穩(wěn)態(tài)水力過程的模擬分析研究，對(duì)輸水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和應(yīng)急能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)模擬。通過研究對(duì)該供水工程的各個(gè)工況內(nèi)水壓力的具體變化情況有了進(jìn)一步的了解，以便于工作人員后期針對(duì)不同情況作出快速調(diào)整與應(yīng)急反應(yīng)，同時(shí)，也避免了水資源的浪費(fèi)，有利于提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。但本文并沒有針對(duì)該供水工程的過渡過程進(jìn)行研究，因此，在未來的工作中將著重針對(duì)該工程的事故工況進(jìn)行過渡過程的仿真模擬。