大落差重力输水在供水工程中的应用

大落差重力输水在供水工程中的应用

大落差重力流管道输水技术具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点。本文介绍了有压重力输水管道设计中水力计算，管线布置，减压消能，压力水锤防护措施，排气阀的设置及注意事项，为具备重力供水条件的工程提供参考。

标签：大落差；重力输水；供水工程；应用

油田供水工程为大落差、长距离的重力流管道输水工程，为大落差、长距离的重力流输水管道工程积累了经验，通过大落差重力输水在昆北油田供水工程中的应用。

一、工程概况

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。工程主要为供该油田生活用水和油田注水。供水管线线路总长度为29.67km，其中水源地距接转站14.82km，采用供水管线管径为：DN200。管线材质定为Q235螺旋焊缝钢管，管线规格为D219×6。

二、水压线计算方法

根据相关规范及工程经验，水压线计算自控制点起，逐段计算至起点。控制点的水压根据使用要求已定，起点水压通过计算方可确定，这就是通常所说的“自下游向上游的水压计算方法”。这种计算方法为输水管道设计规定了一个不容易出错、不容易走入误区的计算方法。但是，目前的一些重力流管道设计没有严格执行这个计算方法。相反的采用一种在水泵压力供水中工程，设计人员经常采用的并经工程设计检验为正确的“自上游向下游的计算方法”。在重力流管道设计中，当采用自上游向下游计算方法，调整管径使得上游起点和下游终点的水头损失相等或略小于地形高差，这种计算结果与“自下游向上游的水压计算方法”得出的结果是一样的，不会出现问题。但是，当存在大管径小流量运行状态时，即水头损失小于地形高差时，就要看重力输水管道的流量调节方式。重力输水管道流量调节方式分为上游和下游两种方式。如果采用上游调节流量的方式，还采用这种计算方法，就会出现计算谬误。因为流量小于设计流量，管道中就会出现无压流，却用压力管道流的公式计算，就会得到接近落差的压力水头的错误结果。如果采用下游调节流量的方式，两种方法得到结算结果是一样的，在管道末端会出现一个很大的富裕压力水头，这时管道的承压等级按静水压考虑，管材承压等级高，投资相应增大。因此，在重力流输水管道设计，如果出现大管径小流量的运行状态，要结合流量调节方式，选用不同的水压计算方法，合理的选择管径和压力等级。

三、输水管道布置

油田供水工程自宽沟水源井集水间取水，水源地没有设置调节水池，直接由水源井供水，管道的供水流量随下游油田生产生活用水量的变化而变化。管道沿线地形高差大，管线距离长，管线中途有大流量分支接出，用水点分散。因此管道运行工况复杂，对管道的运行安全极为不利。根据工程用水实际节点，维护管理的难易度，经技术经济比较，输水管道分成两段，每段地形落差为水源点与用水点的实际落差，各分段间设置减压阀，以降低后段管线的承压等级。结合工程地形条件，相关规范要求及已建重力流工程经验，在地形隆起处布置吸气排气阀8座，地形低洼处设置泄水阀6座。

四、减压消能措施

由于宽沟水源至昆北联合站地形高差很大，相应的输水管线的落差也很大，根据水力计算结果，宽沟水源转站在设计流量条件下管道计算内压为180m 水柱之多。宽沟水源联合站计算内压为360m 水柱，而且静水压力高达450m 水柱。根据一般的输水工程经验，内压超过80m 水柱时，管道接头、阀门连接件等处容易出现渗漏、损害等故障，且影响管道整体安全。因此根据本工程输水管道系统中存在静水头和关阀、开阀、正常运行及流量调节等水锤压力大的问题，需要采取减压消能的措施，以降低管道正常运行水压和静压，提高管路运行的可靠性和经济合理性。

1、减压消能方案。重力供水减压消能的工程方案有设置减压水池和减压阀两种方案。减压池存在占地面积大，建设投资大、工期长，管理不便，而且容易造成水源的二次污染及曝氧问题，而且油田依托条件差，维护管理成本高，对下游油田注水除氧工艺不利等缺点，经过综合比对，工程采用了设置减压恒压阀的方案。经过水力计算对比，管道全程设二级减压阀即可满足要求，减压阀分别设置在K14+805和K29+305桩号处，减压阀采用高压恒压减压阀。该减压消能方案可大幅度降低管道正常运行各种不同工况下的动水和静水压力，也能满足接转站和联合站的用水水压要求。减压措施前后的管道纵断面和水压线简图见图。

2、高压减压阀的作用、类型构造及基本工作原理。高压减压阀是一种自动降低管路工作压力的专门装置，它可将阀前管路较高的水压减少至阀后管路所需的水平。出口压力不受进口压力和流量变化的影响，既可减静压，又可减动压。高压减压阀按结构形式可分为膜片式、弹簧薄膜式、活塞式、杠杆式和波纹管式；按阀座数目可分为单座式和双座式；按阀瓣的位置不同可分为正作用式和反作用式。高压减压阀的工作由阀后压力进行控制。当压力感应器检测到阀门压力指示升高时，减压阀阀门开度减小；当检测到减压阀后压力减小，减压阀阀门开度增大，以满足控制要求。

结论：

1）大落差中重力供水较水泵压力供水具有省电、节能、成本低、运行管理简单、方便的优点。在油田具备地形重力供水的地区，它是一种值得推广的理想供水方式。

2）重力压力输水管道因上下游流量调节方式的不同，管道的流态会不同，特别是输水流量较小情况下，应根据不同调节方式，采用不同的水力计算方法。

3）重力有压输水管道的减压阀建议采用减压恒压阀，可实现在最大设计流量时不减压消能，而仅消减小流量运行时产生的富裕水头。

在长距离高落差重力流供水工程中，阀前初始内水压力较大，如阀门操作不当导致阀前压力过大，会严重威胁输水系统的安全运行。根据推导了有摩阻管道首相水锤的阀前压力解析公式及其阀调节关闭规律；公式正确反映了阀前压力与其一段直线关闭规律两者之间的关系，且精度较高。

参考文献：

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[2] 金锥，姜乃昌，汪兴华. 停泵水锤及其防护[M] . 北京：中国建筑工业出版社，2012.