随着人口的增加和工农业的迅速发展,造成需水量不断增加,为缓解水资源的紧缺,长距离、跨流域引调水工程的实施日益增多。管道输水因具有水资源损失少、土地资源占用小、水质保证率高、对地形地势的适应能力强等优势,在小流量的长距离引调水工程中得到普遍应用。管道输水方式有无压重力输水、有压重力输水、加压输水、重力和加压组合输水等^[1] ,为节约能源、充分利用输水地形高差、降低运行管理成本、减少工程投资,单级或多级泵站加压和有压重力串联的压力输水方式在丘陵地区长距离输水管道工程中应用越来越多,该输水方式控制措施既要使不同输水方式的管道流量匹配,保证整个输水系统等流量运行,防止管道出现明满流交替状态危及运行安全,又要考虑有压重力输水方式往往需要消减富裕能量降低压力的情况,从而依据管材公称压力等级进行合理分段,以便降低工程投资和满足工程安全稳定运行的要求,因此选择合适的控制措施是保证整个输水系统安全、稳定运行的关键。下面以胶东引黄调水高疃泵站-孟良口子隧洞输水管道工程为例对长距离山丘区输水管道的调流消能型式进行分析研究。

　　 胶东引黄调水高疃泵站-孟良口子隧洞输水管道工程位于胶东山丘区,地形起伏较大,设计流量5.5m³/s,布设管道1根,线路全长约62.6km。在桩号4+710处设高位水池,最大容积1 900.0m³,高位水池上游管道采用泵站加压输水,下游管道采用有压重力输水。高位水池上游管道公称直径2.0m,下游管道公称直径2.2m。管材采用螺旋钢管和预应力钢筒混凝土管,均为地埋敷设,管道公称压力0.6~1.2MPa。管道沿线共设阀门井27座,井内设电动蝶阀、进排气阀等设备;进排气井65座,井内设复合进排气阀;排水井20座,井内设手动蝶阀等设备。高疃泵站安装4台双吸离心泵,3用1备,其中2台采用内反馈调速运行,单泵设计扬程65m,设计流量1.9m³/s。输水管道纵断面布置见图1。

　　 不同输水方式串联布置的管道流量适时匹配是保证输水系统安全稳定运行的前提。根据该输水线路布置特点,确定本输水系统控制措施为:泵站加压管段通过增减泵站机组、水泵调速等措施控制流量和压力。有压重力输水管段通过控制调流消能设施,使其与泵站加压管段的流量适时匹配并消减部分管段的富裕能量。由于受地形地势、迁占征地等影响,泵站加压与有压重力输水管段衔接处的高位水池容积不宜过大,因此要求有压重力输水管段的调流消能设施调节时间短并且动作可靠,避免运行过程中高位水池出现溢流或水位低于管顶的现象,所以确定有压重力输水管段的调流消能型式是整个输水系统控制措施顺利实施的关键。

　　 该输水工程距离长、落差大,全线管道最大落差高达95.0m。当输水系统在泵站初始运行或小流量工况运行时,有压重力输水管段稳态压力线接近于高位水池静水压力线,从而产生较大的富裕能量(见图1);当输水线路阀门关闭后,有压重力输水管段承受高位水池静水压力,使全线管道都要承受较高压力,并且各规范推荐的输水管道水力计算均为经验公式,管材粗糙度等计算参数也均为经验值,在水力计算过程中取值大都偏于安全,当输水管线较长时,计算值和实际值可能偏差较大,由此也将产生富裕能量。因此通过控制有压重力输水管段调流消能设施消减富裕能量并调节流量才能满足系统运行要求。根据工程特点,以下选取3种调流消能型式进行比选。

　　 利用蝶阀开度增加局部水头损失可降低管道压力和调节管道流量^[2] ,但应避免阀门产生汽蚀导致设备出现剧烈振动、高噪音等危及设备运行安全的现象。当单不蝶阀调节无法满足调流消能要求时,可依靠调整蝶阀群的开度来调节管道压力、控制管道流量。根据工程设计指标分析计算得出:在设计流量工况时,通过调节输水线路末端1座阀门井内电动蝶阀开度即可满足输水系统运行要求;在单泵流量工况时,需通过调节输水线路沿线20座阀门井内电动蝶阀开度才可满足输水系统运行要求。输水系统稳态运行效果见图2。

　　 根据有压重力输水管段静压和不同工况流量稳态分析,在桩号34+000和管线末端设置活塞式调流阀,在桩号36+450设置调节水池。通过调节水池将有压重力输水管段分为2段,2处活塞式调流阀只对各自管段的流量分别进行调节。通过活塞式调流阀的调节,全系统流量能够得到适时匹配,满足不同工况的运行要求。活塞式调流阀的调节速度应满足输水系统水锤防护和水池调节容积要求。输水系统稳态运行效果见图3。

　　 在桩号34+000设置减压恒压阀,在管线末端设置活塞式调流阀。由于输水管道管径较大,减压恒压阀处需采用8个阀门并联同时调节的方式。减压恒压阀应具有无论进口段流量和压力如何变化,出口端保持恒压值不变的功能,并且出口恒压值可方便地进行调节^[1] 。通过减压恒压阀降低下游管段承受的压力,通过活塞式调流阀对有压重力管段的流量进行调节,使高位水池水位维持在设计水位,全系统流量平衡。输水系统稳态运行效果与方案二相差不大。

　　 针对各方案不同的调流消能型式进行技术及经济各方面分析,以确定最优方案。

　　 (1)调流效果。方案一利用蝶阀控制流量,受计算过程中近似处理、实际操作中的开度误差等因素影响,存在一定的近似性,精确程度不是非常高^[2] ;方案二、方案三利用活塞式控制阀控制流量,其阀门开度与流量呈线性关系,具有良好的线性调流或稳定减压特性,能够实现精确调流。

　　 (2)消能效果。方案一无法消除桩号34+000下游管线的富裕能量,消能效果一般。方案二、方案三分别通过活塞式调流阀、减压恒压阀能够消除管道全线的富裕能量,消能效果好。

　　 (3)管道承压。方案一由于蝶阀的密封性能一般,无法可靠地阻断静水压力的传递,全线管道仍承受较高静水压力。方案二和方案三可分别通过调节水池、减压恒压阀降低下游管段承受的静水压力。

　　 (4)水锤防护。方案一蝶阀的开度调节区间小、行程短,阀门开度和流量曲线为非线性,调节过程易产生较高的水锤压力,水锤防护能力低。方案二活塞式调流阀调节区间大、行程长,阀门开度与流量呈线性关系,调节速度可根据输水系统水锤防护要求设置;并且水锤压力可以在调节水池处释放,有效缓解水锤,水锤防护能力高。方案三减压恒压阀在开度自动调节的过程中,对于减压恒压阀下游来说,减压恒压阀关闭产生的是减压波,关闭过快可能在减压恒压阀后产生负压;对于减压恒压阀上游来说,减压恒压阀关闭产生的是升压波,可能在减压恒压阀上游产生较大的压力升高^[3] ,水锤防护能力一般。

　　 (5)设备运行可靠度。方案一采用的蝶阀在小开度时消能曲线很陡,水流对阀门的冲刷力很大,同时水流不稳,容易产生汽蚀,造成阀门振动危及设备安全,设备运行可靠度低。方案二采用的活塞式调流阀利用出口部位的线性收缩和节流部件的引导,使水流向管道中心喷射并相互撞击,从而产生消能减压的效果,避免了对阀体和管道产生的汽蚀影响,设备运行可靠度高。方案三采用的减压恒压阀通常通过调节弹簧压力设定阀门出口恒压值,调节精度受弹簧质量和人为因素影响较大,并且较大口径的减压恒压阀易出现阀芯振颤和导管堵塞的现象,设备运行可靠度一般。

　　 (6)运行安全性。方案一利用多个蝶阀串联进行调节时,一旦某个阀门出现调节不到位或失效现象,下游阀门消减的压力将超出其调节能力从而带来连锁反应,导致下游管道和设备损坏,运行安全性低。方案二即使活塞式调流阀失效,也可通过调节水池的溢流保证下游管道和设施不承受过高的压力,运行安全性高。方案三利用多个减压恒压阀并联同时调节时,如果1个阀门失效,其下游管道和设施都将承受过高的压力,运行安全性低。

　　 (7)运行管理。方案一需对管道沿线的多个蝶阀进行调节,而且每个阀门都需要精确调控以避免对下游蝶阀的调节造成影响,对运行管理要求高。方案二只需对2处活塞式调流阀进行运行控制,各处活塞式调流阀只根据各自上游处水池水位进行调节,运行操作简单、明确,运行管理简便。方案三中多台减压恒压阀需同时运行,因此对阀门自动调节的能力和可靠度有较高的要求,并且应与管线末端的活塞式调流阀进行联合调度,对运行管理要求较高。

　　 (8)经济性能。方案一全线管材压力等级较高,管道工程造价约42 796.5万元。方案二降低了调节水池下游管材压力等级,增加了活塞式调流阀和调压井,管道工程造价约42 950.3万元。方案三降低了减压恒压阀下游管材压力等级,增加了活塞式调流阀和减压恒压阀,管道工程造价约42 810.8万元。

　　 经过上述综合比较,方案二虽工程造价稍高,但其具有运行安全性高,既能可靠地消减富裕能量,又能有效地缓解水锤,并通过简便、灵活的调节满足不同工况全系统流量平衡等优势。因此胶东引黄调水高疃泵站-孟良口子隧洞输水管道工程采用设置活塞式调流阀和调节水池的调流消能型式。

　　 根据选定的方案,泵站机组开机和关机输水系统调节流程如图4和图5(活塞式调流消能设施位置和名称参见图3)。

　　 胶东引黄调水高疃泵站-孟良口子隧洞输水管道工程已成功通水运行,各项指标均达到了预期效果。对于丘陵地区长距离输水管道采用在有压重力输水管段设置活塞式调流阀和调节水池的调流消能型式,可有效地消减输水系统富裕能量,从而降低管道设计承压能力,节省投资。水锤压力在调节水池处释放,能够可靠地降低水锤压力,保证管道的安全运行。活塞式调流阀的分段控制运行,使输水系统的流量平衡调节更易于实现。