辛拯 PCCP输水工程的几个设计问题.doc

PCCP输水工程的几个设 计 问 题辛 拯随着经济社会的发展，我国的长距离输水工程得到了快速的发展，近年来，我国建成或正在建设着许多长距离输水工程。工程建设领域的这一新的工程建设项目的出现，既是一种机遇，也是一种挑战。广大设计人员抓住机遇，迎接挑战，积极探索和研究设计中出现的诸多新的问题，确保了为用水户保质保量长寿命安全供水的目的。当用水户的需水量被确定，设计人员在设计输水线路时，要对供水水源，输水管线，输水管线的控制阀、组合式空气阀以及调节水库等，进行一系列的分析计算、判断与布设，以使供水水质、水量保证，输水线路运行安全、方便，满足用水户的要求。本文不打算全面地叙述长距离输水管线的全部设计问题，仅想就几个设计问题谈谈个人的一些看法，也介绍一些信息，不妥之处，敬请指正。一、管道水力计算管道水力计算是输水工程设计中的重要内容。水力计算的目的，一是使管道输水任务的各项指标的预报尽量接近工程建成后的运行实际，或者适当留有余地，二是保证管道在各种工况下的运行安全。最终达到用水安全、工程规模合理的目的。管道水力计算有达西-威斯巴赫公式，汉森-威廉姆斯公式和曼宁公式等可供选用，但，达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式是经受了历史的考验，国际所公认，现时最常用的管道压力流计算公式，是本次讲的重点。1. 国际通用的Darcy-Weisbach 公式：国际通用式有两个基本特征：一是达西摩擦系数f值是由穆迪图或相应的解析式计算；二是管壁的粗糙程度不再使用无量纲的“糙率”，而是用一个带量纲的“粗糙高度”（公制单位：mm）表示。19世纪，这个公式以法国的达西（Henri Philibert Gaspard Darcy） 和德国的威斯巴赫（Julius Weisbach）两个工程师的名字命名后，又有许多科学家和工程师，主要围绕公式中达西摩擦系数f的计算，进行了许多研究，为这个公式做出了贡献，形成了今天国际应用的用穆迪（Moody）图或相应的解析式求解达西摩擦系数f的达西-威斯巴赫公式。公式中的达西摩擦系数f是管道流速、管径、管壁粗糙高度和粘滞性运动系数的函数，管壁的粗糙程度不再使用无量纲的“糙率”，而是用一个带量纲的“粗糙高度”表示。使达西摩擦系数f的计算，不但能反映管径对水力计算的影响，而且，也能反映不同流态（层流、过渡状态以及紊流等）对水力计算的影响。对于混凝土管和钢管等的粗糙高度值，美国等国家已进行了试验并提出了设计推荐值，可供设计使用。2.我国的管流计算，也使用达西-威斯巴赫公式，但达西摩擦系数f（国内习用表示）的计算，一直沿用安托万谢才（Antoine Chzy）在1770年左右，根据明渠均匀流理论的基本概念提出的公式： f = 8gc2（c由无量纲的“糙率n”计算）计算。只要我们稍微研究一下管道水力计算和达西-威斯巴赫公式的发展历史，就不难看出，我国习用的用谢才公式计算达西摩擦系数f的达西-威斯巴赫公式，是其发展过程中一个发展阶段的计算公式，与现时所用的求解达西摩擦系数f的计算公式相比较，是相对滞后的。Moody 图3. 我国常用的管道水力计算达西-威斯巴赫公式： 式中c由“糙率”n常用的计算公式确定。糙率n的选择：糙率n选择的合适与否都直接影响到计算结果是否能反映工程建成后的运行实际的问题。工作中要注意两个问题：一是最好用雷诺数判断一下，使管流处于紊流状态；二是n值选择时，要把试验值和工程使用值区分开来；对于PCCP， n=0.011是试验值，用于工程时应乘以一个系数。山西引黄工程联结段取用的PCCP工程使用值是0.0120.0125，美国的混凝土管的n值是0.0120.013。管道流速控制：管道流速一般控制在3m/s以内。这是个可接受的流速。二、水锤问题1. 管道内压工作内压Pw： Pw = max（由水力坡降线确定的内压，静水压）；瞬时内压Pt： Pt = max（0.4 Pw，40psi276kPa）（*）；现场试验内压Pft：Pft = 1.2Pw 。2.水锤压力水锤分析是管道水力设计的重要内容之一。水锤压力即瞬时内压力Pt，Pt是指由于管内流速急剧变化引起的超过管道工作内压Pw的部分。如果买方没有对水锤压力提出专门的要求时，设计单位将：按式（*）确定Pt值，提供给制造商进行PCCP管道的结构设计；根据已确定的Pt值，进行水锤计算。例如，如果用延长关阀时间解决水锤问题时，就是要反算关阀时间等等。3. 水锤计算中几个值得商榷的问题阀的关闭：不同的调节阀有着不同的Cv曲线，水锤计算中阀门的开关曲线就是Cv曲线。有的选定的调节阀，连Cv曲线都没有，就假定开关曲线为线性计算水锤，是不合适的。延长关阀的时间是降低水锤压力的一个最简单的办法。但有的被委托的单位计算的关阀时间达到半个小时，有的甚至达到1个多小时，我们姑且不讨论阀的传动装置在制造上有没有问题，首先，业主会不会接受就是个问题。当延长关阀的时间，水锤压力计算不好过关时，当然会有不同的方法解决，但都要在工程的总布置时就要考虑。有的工程采用修改阀的Cv曲线的办法解决水锤问题时，一定要注意修改后的Cv曲线是否影响到了阀的主要任务运行。 4. 水锤问题最重要的一点，也是特别想强调的一点，就是在工程总体布置时，就要同时考虑和预估水锤问题。 例如，阀门分段关闭：泄压阀等。三、调节水库尽管设计人员在设计输水线路时，对水源的水质、水量和引水时段等，以及输水管线的总体布设和水力类型等，总是要进行精心的设计与研究，但总有一些问题仅靠输水线路去解决是比较困难或者是不经济或者是无法解决的，这时，设置调节水库去解决这些问题，则成为确保供水安全的工程措施之一。如果需设置调节水库，首先要分析和确定它的任务：1. 担当非引水期的供水任务调节等例如，山西万家寨引黄工程，每年的8、9两月万家寨水库停止引水时，调节水库承担向用户供水的任务。我国某引水工程由于冬季几个月不能输水时的用户供水问题等等。陕西引黄联结段的调节库。2. 解决泵力系统供水流量级数式增长与用水户需水量非级数式增长的匹配问题例如，山西引黄工程输水线路，从水力类型分，前段，总干三级泵站，南干两级泵站，为泵力系统，该泵力系统的末端未设控制性调节阀，其水力特点是，供水流量随水泵的开启台数呈等差级数式增长。后段为明流及重力流输水，供水流量通过控制调节适应性强。而用水户需水量的增长，则影响因素复杂。国内已建的工程，初期用水量一般不大，增长也不快，当然，增长的过程也不会按泵力系统所设定的级数式的去增长，肯定是一个非级数式增长的过程，而且具有不确定性。这种供水级数式增长与需水非级数式增长的不相适应，使整个输水线路无法运行。设置调节水库进行调节，使二者相互匹配，使输水线路安全运行，是解决这一矛盾的有效的工程措施之一。调节水库的运行方式是，当用水量小于单泵提水流量或大于单泵提水流量小于两台泵的提水流量时，将提水流量先存蓄于调节水库，经水库调节后，按实际用水量向用水户供水，即，要求调节水库以大流量存蓄，小流量供水。这一情况，一般是在用水量没有达到设计值之前，其所确定的调节水库的库容，在用水量达到设计值之后，则会闲置。3. 调节输水线路的充水流量输水工程建成后，认真地、谨慎地做好管道充水，是保证输水线路安全运行的重要一步。如果没有其他水源，可为本工程提供充水流量，充水流量由本工程的水源提供时，如果是重力流，则问题简单；如果是泵力流，则同样有泵力系统固定的供水流量与充水小流量的不匹配问题，也需要调节水库进行调节。4. 事故供水当输水线路事故时，事故供水流量的供应常用的有两种方法。一是市政部门常用的双管加连通管，保证70%供水量；二是水利部门常用的单管加调节水库。第一种方法的水力条件可能要差一些。美国几乎都是单管，一是PCCP事故几率极小，二是一旦事故有成套的快速修理设备及措施。在选择调节水库时，自流进、出的调节水库应该是首选的，根据承担任务的不同，不但要注意调节水库的位置关系，还要十分注意调节水库的高程关系，避免需要提水的调节水库。四、调节阀调节阀是减压阀室或流量控制阀室的主要设备，在输水线路中的作用是：减压、调节和控制流量，调整阀的关闭时间和关闭方式还可控制水锤压力。对调节阀的要求是：寿命长，汽蚀小，震动小，噪音低。调节阀既可现地操作（手动或电动），也可远程控制。在输水线路运行中，通过流量计的预报，调节阀能稳定、反应速度快、精确地在要求供水的流量范围内调整流量满足要求。山西引黄工程联接段选用的调节阀是多喷孔套筒阀，是我国第一个引进多喷孔套筒阀并取得成功的工程。见另图。 阀的选型Cv固有流量特征，即固有Cv的定义为：阀门在全开位置，压差为1磅/英寸2，60oF的水每分钟流过阀门的加仑数。 固有Cv的标准类型见另图。Cv是设备过流能力的一个测量指标，通常由通过阀的流量和进、出口的压力决定。Cv既可用来比较不同阀的过流能力，又可用来选择所需要阀的结构尺寸。Cv曲线是阀的运行特征曲线，当阀的尺寸选定后，一是在采购时，招标文件的技术规范中，采购方一定要提出Cv曲线及其测试所依据的标准的要求，否则，对阀的尺寸性能不好控制。同样，制造商也应回应其制造的阀的Cv曲线，表明其响应了招标文件的要求。讲一下调流调压阀的问题。五、检修阀检修阀一般用蝶阀或球阀，阀的尺寸近似于管道尺寸的85%。球阀流态较好，蝶阀经济。检修阀在输水线路中的作用是：1. 管道事故快速检修时，管道需检修的部分管段临时放空；2. 管道事故快速检修，需临时放空管道的部分管段时，减小排水阀的消能压力；3. 管道充水过程中，尤其是工程建成后，运行前的第一次充水过程中，蝶阀关闭，旁通管充水，以减少管内残留的空气，避免管内产生波涌压力。4, 减小检修阀室结构计算时的水压力。一般情况下，结合地形条件，原则上每4km左右布置一个检修阀室。每个阀室内，一台检修阀，其上下两端主管由设有两台蝶阀和消能孔板的旁通管连接，检修阀的上下两侧还各设一组合空气阀。每个检修阀室的上游侧设一个流量计井，内装八声道超声波流量计，检测流量；通过监测流量，预报管道是否可能有漏水。六、组合空气阀组合空气阀井的主要装置是，由一个排（进）气阀，一个微排气阀和一个水锤控制装置组成的组合空气阀，它是输水线路的保护装置，他的作用是：1. 排出管道内的空气，例如，管线充水时；2, 向管道内补气，例如，管道放空时或管道运行中水锤时个别高点可能出现负压时；3. 管道正常运行中，会有带入管道的微量气泡在管内随水流移动，其一，会减少管道的输水流量，其二，可能损害管道。这些微量气泡可通过微排气阀排出管外。4. 水锤控制装置是防止管道出现水锤时，可能对组合空气阀造成的破坏。根据地形条件，组合空气阀要进行合理的组合与布设。排（进）气阀的尺寸应按每一段管道需要排放的空气体积和阀空气排放速度150ft/s(45.72m/s