阿尔及利亚长距离输水管道水力分析及优化

第 3 7卷第 3期 石油工程建设 4 7 鬻。 。 输水管遘水力分析及优化 。 程鲁丰，张 涛，罗双全，尹兴奕 ( 中国石油工程建设公司，北京1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ：针对 阿 尔及利 亚 因萨拉 赫到塔 曼拉 撒 特 长距 离榆 水 管道 项 目初 步设 计 中水 力设 计 存在 的 问 题，开展 了全程静 态水力分析 ，指出了原初步设计 中水力计算存在的问题和不足 ，采用改变部分泵 站蓄水池高程和输水泵叶轮 的方案优化 了全程水力计算，解决了原初步设计 中水力设计的问题 ，避 免了需重新布局 泵站或更换 引擎可能造成的重大经济损失。 关键词 ：长距 离输水管道 ：水力分析；设计；优化 中图分类号 ：T E 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 3 0 0 4 7 0 4 l工程概况 塔 曼拉撒 特是阿尔及利 亚南部 的重要城 市 ， 位于撒哈拉沙漠腹地 ，为满足塔曼拉撒特 日益增 长 的用水需求 ，阿尔及利亚政府决定从拥有丰富 地下水 资源的 因萨拉赫建设到塔曼拉撒特 的长距 离 输水 工 程 。该 输水 工 程 的初 步设 计 由瑞 士 公 司 S T U C K Y在 2 0 0 5年 1 1 月完成 ，并以该初步设计技 术文件为基础规定 了合 同的特殊技术条款 。该工 程分 为 地 下 水钻 井 、水 源 地 集输 管 网及 处 理 站 和 集水池 、长输 管道( 分 3个 子 标段 ) 、泵 站 和控制 中心 、终端水池等 5个子工程项 目标段 ，通过 国 际招 投标 ，业 主分 别将 5个 子 项 目交 与不 同 的承 包商进行 E P C工程承包建设 ，又将不 同标段的工 程 监 理 交 予 法 国 公 司 B C E 0 M 和 瑞 士 公 司 S TUCKY 。 工程计划输 水量 1 0万 m 3 d ，由海 拔高度 3 0 5 I l l 的因萨拉赫最终输至海拔高度 1 4 5 0 1 1 1 的塔曼拉撒 特 城市 ，输水 管 道为 双线并 联输 送 ，全 程 7 5 0 k m， 设 有 6个 泵站分 段提升 该长输 管道沿途全部处于社会依托 条件极差 的撒哈拉 沙漠 ，无电力供应 ，工程采用柴油天然 气双燃料 引擎作为动力驱动离心输水泵。每个泵 站 设有 3台引 擎 和 3台 离心 泵 ；单 台引擎 功 率 为 2 5 5 MW，引擎采用先进 的柴油和天然气 双燃料 式 ，泵扬程为 3 2 0 m、流量 2 0 8 8 m3 h ；每个泵站 建设 2个 2 0 0 0 I l l 蓄水池和 2个 1 2 5 0 k W 的柴 油 发电机 。各泵站中蓄水池 的水经过离心泵提升进 入 下一级泵站 中的蓄水池 ，该蓄水池为常压 。该 长输管道示意见 图 1 。 图 1阿 尔及 利亚 因萨 拉 赫 到 塔 曼拉 撒 特 长 距 离输 水 “I - 程 不 惹 初步设计规定 ，为便于管道工程施 工和运行 后 的 泄 漏 检测 和维 护 ，经过 初 步 地 貌 勘 察 和水 力 设计 ，确定了管道线路走向是沿着阿尔及利亚 国 家 1号 公 路 进 行 敷 设 ，并 在 沿 程 布 局 6个 泵 站 。 为便 于 6个泵站的 日常运行操作和检修 ，初步设 计 强调 各 个 泵 站 中引擎 和 输 水 泵 的数 据 表 及 主 要 性 能参数必须保持 一致 ，即要求各泵站 的引擎功 率一样 、离心泵的扬程必须一样 。 由于 在 初 步设 计 中地 质勘 察 不 详 尽 ，泵 站 设 置 位 置 的地 形 和地 质 条 件 复 杂 ，泵 站 内 的蓄 水 池 布局不合理 ，水力设计未充分考虑泵站 内部工艺 流 程 ，这 给后 续 的工 程详 细设 计造 成 了很 大 困难 。 下文主要分析了初 步设计 中全程水力设计存在的 羊 羊 羊 羊 羊 4 8 石油工程建设 2 0 1 1 年 6月 问题 ，并针 对性地进 行 了水 力方 案优化 得到 了阿 尔及 利亚业 主和法 国监理公 司 的认 可 和批 复 ，为工 程后续的顺利开展创造了条件 ，避免了需重新布局 泵站或更换引擎所造成的工期影响，也避免了可能 造成 的重大 经济损 失 。 2水力设计 分析和 方案优 化 2 1 泵站 间管道 的水 头损 失 按照合同要求 ，中标的各标段承包商必须重新 校核初步设计中的测量数据。经业主确定并统一坐 管道标段和泵站标段的承包商分别对所属的工程范 围进行 了校核和补充测量 ，实测的地形数据与原初 步设计文件中的地形数据有一定偏差 ，经多方讨论 和研究 ，业 主监理 最终批 复 了实 测 的地 形数据 。结 合复核 的地形数据和管段流量计划 ，管道标段承包 商按照合 同要求 的 C o l e b r o o k Wh i t e 公式对各泵站 间管道重新计算沿程水力损失 ，并依据合同的性能 保证要求局部增大了管径 ，详细过程这里不再赘 述。经过业主和监理批复认可的管道标段提交的各 标系和高程( 分别采用 WG S 8 4和 N G A系统 )后 ， 泵站间管道沿程水头损失值I 1 J 见表 1 。 表 1 各泵站间沿程水头损失 位 置 S T S P1 S P 2 S P3 SP 4 S P 5 S P6 RT 里 程 k i n 0 21 3 4 3 3 1 3 6 O 3 8 7 5 5 5 0 4 5 5 6 6 3 6 3 7 0 8 9 5 7 3 6 1 8 流量， ( m ) 4 1 7 61 2 0 8 82 2 0 8 82 2 0 8 82 2 0 5 22 2 0 1 62 1 9 8 0 x 2 水力损失 m 1 l 1 0 9 5 1 5 7 2 5 l l 5 ， 8 1 8 O 5 3 9 0 ，2 4 5 2 3 4 表 1中 s T为水源地集 水池 ，R T为终端蓄水 池 ，以 S T为起点列出了各泵站所处 的里程位置。 按照合同 ，从 S T到 S P 1 是单根管道 ，水靠重力 自 流到 S P 1 ，S P 1至 S P 6和 R T全部为双根管道 。s r I 至 S P I流量为 4 1 7 6 m 3 h ，沿线 水头损失 1 1 1 i n ： S P 1至 S P 2单管流量是 2 0 8 8 m h ，沿线水头损失 9 5 1 5 r n ；S P 2至 S P 3单管流量是 2 0 8 8 m 3 h ，沿线 水头损失 7 2 5 m；S P 3至 S P 4单管流量是 2 0 8 8 m 3 h ， 沿 线 水 头 损 失 1 l 5 8 m；S P 4至 S P 5单 管 流 量 是 2 0 5 2 m3 h ，沿 线 水 头 损 失 1 8 0 5 3 m：S P 5至 S P 6 单 管 流 量 是 2 0 1 6 mT h ，沿 线 水 头 损 失 9 0 2 4 I n ； S P 6至 R T单管流量是 1 9 8 0 m3 h ，沿线水 头损失 5 2 3 4 i n 。按照业主要求 ，表 1中的各泵站间的水 头损失值 是其他 标段 承包商详 细设计 的基础 输入 条 件 ，也是全程水力计算的依据 。 2 2泵站 内局 部 水头损 失 S r _ 一 根据泵站的平面布置和工艺流程 ，计算确定了 各 泵站从 管道标 段界 面到 蓄水池进 水管道 的水 头损 失 P I ，蓄 水池 出 口管道 至离 心输 水 泵进 口水 头损 失 P 2 ，离心输水泵管道 出口至泵站出口的管道与 管道标段 界面的水头损失 。 ，水头损失计算结 果 见表 2 ，泵站工 艺流程 示意 见图 2 。 表 2 各泵站内局部水头损失 I n 位 置 S P 1 S P 2 S P 3 S P 4 s P 5 S P 6 Pl 7 32 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 尸 2 O 6 3 O 6 3 0 8l 0 9 O 8 5 O 7 7 P3 3 8 4 3 8 4 3 8 4 3 8 3 3 8 4 3 5 9 2 3 原初步设计水力校核 按照合同中的初步设计 ，对蒸汽压和离心泵的 必须汽蚀余量进行了一定安全余量的限定，要求离 心输水泵进 口轴线必须低于蓄水池最低液位以下 3 5 m，该要求对各个泵站 的蓄水池和泵房的布置 4 一 J I ，_、 HHL L ： 5 5 2 5 j 5 鞲 怒 赶 m 她 O“ 3 L U L ： 0 5 0 0 - I I - 她 l 磐 9 J _ ，6 2 、船 l 。 扬 程 、 u 1 譬 1 叶1 一 J1 0 _ J J r1 ， 、t I & - 1 泵站管道进 V 1 ；2 蓄水池进 口；3 蓄水池 ；4 鹅颈管 ；5 蓄水池出 口；6 离心泵进 口；7 离 L , N ；8 泵站管道 出V 1 图 2泵 站 工 艺 流 程示 意( 单位 ：n i ) 第 3 7 卷第 3期 程鲁丰等 ：阿尔及利亚长距离输水管道水力分析及优化 4 9 产 生 了 很 大 的影 响 ，尤 其是 S P 1和 S P 2地 势 比较 平缓 。为满足该技术条款，首先采取蓄水池沿地面 布置 ，输水泵房下挖方案进行泵站布置 ，各泵站高 程采用合同和初步设计给定的高程进行全程静态水 力计算 ，结果见表 3 。 表 3中，各泵站 的离心泵扬程全部采用合 同规 定的 3 2 0 I I 1 ，从表中数据可以看出： ( 1 )水 源地 S T高程 为 4 3 7 5 m，S P 1管道 入 口 高程 为 3 0 1 4 5 m，管道至 S P 1蓄水池鹅颈管最高 点高差 8 2 3 m，减去 s T至 S P 1的管道沿程水头损 失 1 l l m，剩余压头为 9 5 m，即水从 S T利用重力 可 自流至 S P 1 。 ( 2 )S P I蓄水池最低液位 3 0 4 6 5 m，S P 2管道 入 口高程 为 5 1 8 5 4 m，管 道 至 S P 2蓄 水 池 鹅 颈 管 最高点高差 6 9 2 m，加上 S P I至 S P 2的管道沿程水 头 损失 9 5 1 5 m，从 S P 1 提 升至 S P 2共 需 3 2 1 5 5 m。 即水从 S P 1 提 升至 S P 2时 ，流量若要达到合 同规 定 2 0 8 8 m3 h ，则 当泵扬程为 3 2 0 m时 ，剩余压头 为 一 1 5 5 1 3 1 ，不能满足合同技术要求 ；同理 ，若要 达 到合 同规定 流量 2 0 8 8 m3 h则 在输水 泵 扬程 为 3 2 0 m条件下 ，S P 2至 S P 3剩余 压头为一 1 0 6 1 m， S P 3至 S P 4剩余压头为 一 6 1 4 m，不能满足合 同技 术要求 。 ( 3 )按照合同规定，随着因萨拉赫到塔曼拉撒 特长距离输水管道的沿线对水需求 的增加 ，输水量 从 S P 4开始逐渐减少 ，按照表 1中的流量 ，在输 水泵扬程为 3 2 0I l l 条件下 ，S P 4至 S P 5剩余压头为 2 2 1 4 m，S P 5至 S P 6剩余压头为 3 5 8 8 m，S P 6至 终端 蓄 水 池 R T的剩 余 压 头 为 5 4 9 m，即 S P 4 、 S P 5和 S P 6采用 3 2 0 m的离心输水泵 ，可 以达到合 同技术 要求 。 2 4 水力计算方案优化 从表 3可见 ，要达到合同对各 泵站流量 的要 求 ，采用合同给定的高程和泵扬程方案是不能全部 满足技术要求的。离心泵的动力来 自柴油和天然气 双燃料引擎。考虑泵房的安全因素 ，详细设计水力 校核过程 中将地势平 缓的 S P 1和 S P 2的泵房布置 于地面，将蓄水池采取架高方案，同时也可充分利 用 S T到 S P I的剩余压头 9 5 m。S P 1的蓄水池架高 4 8 I l l ，S P 2的蓄水池架高 4 5 i n ，并满足蓄水池最低 液位高于离心输水泵进 口轴线至少 3 5 l q l 。在此基 础上又进行了全程静态水力计算，结果见表 4 。 表 4中，各泵站的离心泵扬程全部采用合同规 定 的 3 2 0 m，从 表 中数 据可 以看 出 ： ( 1 )水源地 S T高程为 4 3 7 5 m，S P I 管道入 口 高程为 3 0 1 4 5 m，管道至 S P I 蓄水池鹅颈管最高点 高差 1 3 0 3 m，减去 S T至 S P 1的管道沿程水 头损 失 1 1 1 m，剩余压头为 4 7 m，即水从 S T利用重力 表 3 原合同高程下输水管道水力计算 高程差 m 水头损失 m 水力损失 泵扬程 余压头 区 间 前泵站 泵站 蓄水池 泵人 口 泵出口 站间管道 蓄水池人 口 ， m S T S P1 43 75 O 3 O1 45 8 2 3 l l 1 O 0 7 _ 3 2 1 1 8 - 3 2 9 5 O S P1 S P 2 3 0 46 5 5l 8 5 4 6 9 2 O63 3 8 4 95 1 5 1 1 2 3 21 5 5 3 2 0 一1 5 5 S P 2 SP 3 5 2 0 4 5 7 6 60 5 6 9 2 O6 3 3 8 4 7 25 0 1 1 2 3 3 0 61 3 2 0 一l 061 S P 3 SP 4 7 6 7 9 5 9 6 5 6 0 6 9 2 081 3 8 4 1 1 5_ 8 O 1 1 2 3 2 6 1 4 3 2 0 6 1 4 S P 4 S P5 9 6 7 5 0 1 0 7 2 0 5 6 9 2 09 O 3 8 4 1 8 05 3 1 1 2 2 9 7 8 6 3 2 0 2 2 1 4 S P5 S P 6 1 0 7 3 9 5 1 2 5 5 1 6 9 2 O 8 5 3 8 4 9 0 2 4 1 1 2 2 8 4 1 2 3 2 0 3 5 8 8 S P 6 RT 1 2 5 7 O 0 l 4 5 4o o O 7 7 3 8 4 5 2 3 4 1 1 1 2 2 6 5 O 7 3 20 5 4 9 0 表 4改变原合 同高程下输水管道水 力计算 高程差 m 水头损失 m 水力损失 泵扬程 余压头 区间 前泵站 泵站 蓄水池 泵入 口 泵 出口 站问管道 蓄水池入 V I S T S P1 43 75 O 3 0 1 45 1 3 O 3 l 1 1 0 O 7 3 2 l 1 8 - 3 2 4 7 0 S P1SP 2 3 0 9 4 5 51 8 5 4 1 1 4 3 O63 3 8 4 9 5 1 5 1 1 2 3 21 2 6 3 2 0 1 2 6 S P 2 S P3 5 2 4 9 5 7 6 60 5 6 9 2 06 3 3 8 4 7 2 5 O 1 1 2 3 2 6 1 1 3 2 0 6 1 1 S P 3 SP 4 7 6 7 9 5 9 6 5 6 0 6 9 2 081 3 8 4 l 1 58 0 1 1 2 3 2 6 1 4 3 2 0 - 6 1 4 S P 4 SP 5 9 6 7 5 0 1 0 7 2 O 5 6 9 2 O9 0 3 8 4 1 8 O5 3 1 1 2 2 9 7 8 6 3 2 0 2 2 1 4 S P 5 S P6 l 0 7 3 9 5 1 2 5 5 1 0 6 9 2 O8 5 3 8 4 9 0 2 4 1 1 2 2 8 4 1 2 3 2 0 3 5 8 8 S P 6 一 R T 1 2 5 7 0 0 1 45 4O 0 0 7 7 3 8 4 5 2 3 4 1 1 1 2 2 6 5 O 7 3 2 0 5 49 0 5 0 石油工程建设 2 0 1 1 年 6月 可 自流至 S P 1 。 ( 2 )采用架高方案后 ，S P 1蓄水池最低液位 3 0 9 4 5 m，S P 2管道入 口高程为 5 l 8 5 4 m，管道至 S P 2蓄水池鹅颈管最高点高差 1 1 4 3 m，加上 S P 1 至 S P 2的管道 沿程 水 头损 失 9 5 1 5 m，水从 S P 1 提 升 至 S P 2共 需 3 2 1 2 6 m。 即 水 从 S P 1提 升 至 S P 2 时 ，若 流量 要 达到 合 同规 定 的 2 0 8 8 m 3 h ，则 当泵 扬 程 为 3 2 0 m 时 ，剩余 压 头 为一 1 2 6 m，S P 2至 S P 3剩余压头为 一 6 1 1 m，S P 3至 S P 4剩余压头为 一 6 1 4 m，仍不能满足合同技术要求。 ( 3 )S P 4 、 S P 5 和 S P 6 的 输 水 泵 扬 程 采 用 3 2 0 m，可达到表 1中合同规定的流量 ，而且 尚有 较多的剩余水压头。 从表 3和表 4的全程静态水力计算分析看 ，主 要问题是 S P 1 、S P 2和 S P 3这 3个泵站采用合 同要 求的统一扬程 3 2 0 m，很难达到合同规定的流量 。 为此 ，与业主、法国监理和芬兰双燃料引擎泵供货 商进行了多次技术会议和激烈的讨论。期间 ，业主 监理经过 论证认 同 了原 初步设 计对 各泵站 的输水 泵 扬程统一 限定为 3 2 0 m是既不合理也不经济、也不 能满足合 同规 定对各 站输量 的要求 ，必须 改变初 步 设计 中不合理的技术要求i 2 。之后 ，各方 曾提出 4 个 解决方 案 ： a 继续 扩 大 S P 1至 S P 2 、S P 2至 S P 3和 S P 3至 S P 4站间的管道直径以减少站间管道水头损失。 b 继续增加 S P 1 和 S P 2蓄水池高度。 C 修改输 水离 心泵 的涡轮直 径 。 d 提 高 S P 1 、S P 2和 S P 3泵站 的引擎 功率 ，增 加泵转速 以提高离心泵输水能力。 如何均衡各方利益成为解决问题 的关键 ，业主 和监理 出于投资成本考虑 ，未能同意扩大 S P I至 S P 2 、S P 2至 S P 3和 S P 3至 S P 4站间的管道直径 ： 出 于投 资 成 本 和 安全 考 虑 也 未 能 同意 表 4中在 S P 1蓄水池提高 4 8 I 1 “1 和 S P 2蓄水池提高 4 5 r n的 基础上 继续 抬高蓄水 池 的方案 ；出于投 资成本 和运 行费用考虑 ，也未能同意承包商重新对 S P 1 、S P 2 和 S P 3的引擎进行订单变更 。最终 ，经过 多方讨 论和权衡 ，业主和监理同意采用改变输水离心泵的 涡轮直径的方案 ，这是 4个解决方案中工程量变更 最小 、对项 目执行影 响最 小 、也是经 济可行 的解决 方案。在双燃料引擎和离心泵的供货商略微改变泵 叶轮直径 ，并通过了各方对引擎和离心泵新一轮的 技术评估后 ，改变叶轮直径后的全程静态水力计算 见表 5 表 5 改变泵叶轮直径的输水管道水力计算 高程差 m 水头损失 m 水力损失 泵扬程 余压头 区间 前 泵站 泵站 蓄水池 泵人 口 泵出口 站问管道 蓄水池人 口 S T S P1 4 3 7 5 O 3 01 4 5 1 3 0 3 l 1 1 0 O 7 _ 3 2 l 1 832 4 7 0 S P1 S P 2 3 0 9 4 5 5 1 8 5 4 l 1 43 0 6 4 3 8 5 9 5 1 5 1 1 2 3 21 2 8 3 2 9 7 7 2 S P2 S P 3 5 2 49 5 7 6 6 0 5 6 9 2 0 6 4 3 8 5 7 2 5 0 1 1 2 3 2 6 1 3 3 2 9 2 8 7 S P3 S P 4 7 6 79 5 9 6 5 6 0 6 9 2 0 8l 3 8 5 1 1 5 8 O 1 1 2 3 2 6