长距离双管输水连接管分段设计计算

1 长距离双管输水管道连接管分段计算论述 摘要 分别对在重力及水泵供水时的压力输水管 两条平行敷设的长距离输水 干管的流量分配 连通管间距的计算进行了研究 可供长距离输水干管设计者参 考 关键词 水头损失 流量 比阻系数 连通管间距 近几年来 随着我国经济的发展 城市生活及工业用水日益加剧 但我国 水资源相对比较紧张 有时需要从很远的地方寻找水源 因此长距离输水工程 也逐渐增多 尤其在工业供水中 为了提高供水保证率 需要双管输水 下面 就几种不同情况下 长距离双管输水连接管分段设计计算闸述几点看法 1 重力供水时的压力输水管 水源在高地时 例如取用水塔 高位水池时 若水源水位和用水户构筑物 水位的高差足够 可利用水源水位向用水户重力输水 设计时 设水源水位标 高为 Z 输水管输水至用水户构筑物 其水位为 Z0 这时水位差 H Z Z0 该水 头用以克服输水管的水头损失 假定输水量为 Q 平行的输水管线为 n 条 则每条管线的流量为 设平 n Q 行管线的直径和长度相同 则该系统的水头损失为 h s 1 2 n Q 2 2 Q n s 式中 S 每条管线的摩阻 当一条管线损坏时 该系统中其余 n 1 条管线的水头损失为 ha s 2 2 1 n Qa 2 2 1 aQ n s 式中 Qa 管线损坏时须保证的流量或允许的事故流量 因为重力输水系统的位置水头已定 正常时和事故时的水头损失都应等于 位置水头 即 h ha Z Z0 由式 1 2 得事故时流量为 Qa aQ Q n n1 平行管线数为 n 2 时 则 a 0 5 这样事故流量只有正常流量时供 2 12 2 水量的一半 如只有一条输水管 则 Qa 0 即事故时流量为零 不能保证不间断 供水 实际上 为提高供水的可靠性 常采用简单而造价增加不多的方法 即 在平行管线之间用连接管相接 当管线某段损坏时 无需整条管线全部停止工 作 而只需用阀门关闭损坏的一段进行检修 采用这种措施可以提高事故时的 流量 通常为了减少输水干管的施工费用 一般均沿同一路线敷设 即从同一取 水地点送至同一用水区域 因此 几条输水干管的长度是基本相同的 因而几 条输水干管的总水头损失相等 单位长度管段的水头损失 i AQ2也应相等 不 同管径的流量分配即按这一原则进行计算 假设两条输水管径分别为 DN1 DN2 且 DN1 DN2 设计总输水流量为 Q m3 s DN1及 DN2的比阻系数分别为 A1 A2 可建立如下方程组 A1Q12 A2Q22 Q2 Q Q1 联立并解以上方程组可得 Q1 m3 s 21 2 AA QA 令 k 则 Q1 kQ 21 2 AA A Q2 Q Q1 1 k Q 如图 1 当输水干管设计流量为 Q m3 s 事故水量为 aQ m3 s 输水干管 总长度为 L m 连通管间距为 l m 高位水池水 厂 DN1 DN2 l L 图 1 当DN2某段发生事故时为最不利的情况 输水干管DN1的沿程水头损失为 A1 aKQ 2 L l A1 aQ 2l 3 DN1正常工作时的沿程水头损失为 A1 KQ 2L 因出水压力为一定值 则输水干管发生事故时 其管道的水头损失维持不变 得 A1 aKQ 2 L l A1 aQ 2l A1 KQ 2L 化简后得 l m 1 1 22 22 Ka aLK 其中a为事故水量和设计水量的比值 如果是城市给水 则a 70 代入上式 可简化为 l 1 49 51 2 2 K LK 其中 k 21 2 AA A 当DN1 DN2时 l 所以为保证输水管损坏时的事故流量 并用两 147 51L 3 1 条连接管将平行管线分成3段才行 1 1举例 某工程输水干管设计流量为15万m3 d 1 736m3 s 输水干管采用两条其管径 分别为800mm及1000mm 管材选用铸铁管 输水管长度为20km 事故用水量为设计 水量的70 求条输水干管的实际流量Q1 Q2及单位管段长度的水头损失i1 i2 并计算出连通管的间距 解 通过计算得K 0 3563 Q1 KQ 0 3563 1 736 0 619m3 s Q2 1 K Q 1 0 3563 1 736 1 117m3 s i1 A1Q12 0 00566 0 6192 0 00217 i2 A2Q22 0 00173 1 1172 0 00217 连通管间距 l 3083m 1 49 51 2 2 K LK 3563 0 1 49 3563 0 2000051 2 2 可根据当地实际情况每隔 3km 左右设一组连通管 4 2 水泵供水时的压力输水管 水泵供水时 流量 Q 受到水泵扬程的影响 反之 输水量变化也会影响输 水管起点的水压 因此水泵供水时的实际流量 应由水泵特性曲线 Hp f Q 和输水管特性曲线 H0 h f Q 求出 图 2 表示水泵特性曲线 Q Hp和输水管特性曲线 Q h 的联合工作情况 为输水管正常工作时的 Q h 特性曲线 为事故时 当输水管任一段损坏 时 阻力增大 使曲线的交点从正常工作时的 b 点移到 a 点 与 a 点相应的横 坐标即表示事故时流量 Qa 水泵供水时 为保证管线损坏时的事故流量 输水 管的分段数计算方法如下 Q Q Qa H Hb Q HP H Ha H0 a b h Q h 图 2 输水管 Q h 特性方程表示为 H H0 sp sd Q2 1 设两条不同直径的输水管用连接管分成 n 段 则任一段损坏时的水泵扬程 为 Ha H0 sp sd Q 4 n s n sd 1 2 a 式中 H0 水泵静扬程 sp 泵站内部管线的摩阻 5 sd 两条输水管的当量摩阻 d s 1 1 1 s 2 1 s sd 2 21 21 ss ss s1 s2 每条输水管的摩阻 n 输水管分段数 输水管之间只有一条连接管时 分段数为 2 以此类推 Q 正常时流量 Qa 事故时流量 连接管的长度与输水管相比很短 其阻力可忽略不计 水泵 Q Hp特性方程为 Hp Hb sQ2 2 输水管任一段损坏时的水泵特性方程为 Ha Hb sQa2 5 式中 s 水泵摩阻 联立解式 1 和式 2 得正常时的水泵输水量 Q 3 dp b sss HH 0 从式 3 看出 因 H0 s sp已定 故 Hb减小或输水管当量摩阻 sd增大 均可使水泵流量减小 解式 4 和式 5 得事故时的水泵输水量 Qa 6 n sssss HH ddp b 1 1 0 从式 6 和式 3 得事故时和正常时的流量比例为 a Q Qa n sssss sss ddp dp 1 1 按事故用水量为设计水量的 70 即 a 0 7 的要求 所需分段数等于 6 n dp d dp d sss ss asss ass 96 0 1 1 2 2 1 2 1 举例 某城市从水源泵站到水厂敷设两条铁输水管 每条输水管长度为 12400m 管径分别为 250mm 和 300mm 见图 3 水泵特性曲线方程为 HP 141 3 0 0026Q2 泵站内管线的摩阻为 SP 0 00021 假定 DN300mm 输水管的一段损坏 试求事故流量为 70 设计水量时的分段数 以及正常时和事故时的流量比 泵站 水厂 DN 250 DN 300 损坏段 图 3 解 管径为 DN250mm 和 300mm 的输水管摩阻分别为 S1 2 752 10 6 12400 0 034m s2 L2 S2 1 025 10 6 12400 0 013m s2 L2 两条输水管的当量摩阻为 Sd m s2 L2005 0 034 0 013 0 034 0 013 0 2 分段数为 n 6 3 7 01 005 0 00021 0 0026 0 7 0 005 0 034 0 2 2 设分成 4 段 即 n 4 得事故时流量等于 Qa L s 0 82 4 1 005 0 034 0 005 0 00021 0 0026 0 0 40 3 141 正常时流量为 Q L s 9 113 005 0 00021 0 0062 0 0 40 3 141 事故时和正常工作时的流量比为 a