长距离重力输水管道布置自适应优化研究

涂俊宏

（新疆峻特设计工程有限公司阿拉尔分公司,新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

随着现代化社会的飞速发展,为了能够更合理和科学的对输水管道进行布置,使得长距离重力有压流的管路能够更加安全地运行,通过建立长距离输水管道压力模型来将流量进行均匀控制。通过对不同模块的合理使用,在忽略管桥带来的水力损失基础上,能够根据水力学原理,得到较为优化的重力输水管路连通布置的设计方法[1]。根据分析不同管理之间的距离,使得输水流量问题得到改善,水力坡降线变缓。通过对输水管道中气囊运动过程进行总结,不仅可以节约成本,还能够使综合布置得到高效运作。水库作为大规模储水设施,可以储存大量的水资源。通过长距离管道输水,可以将水库中的水稳定、可靠地输送到水厂,确保水厂有持续的供水来源。随着现代科学技术水平的提升,日常维护工作任务量得到缓解,减少工程项目的成本,提升工程建设的安全性,具有广阔的发展前景[2]。经过计算分析和实际工程研究中发现,长距离重力输水管道中经常发生水锤事故。由于输水管道内排气不畅,单闸阀失灵造成水锤事故,水锤压力升高达到百米,发生爆管事故会严重危害到输水管道的安全施工使得结果难以符合预期。因此现阶段,以长距离重力输水管道布置自适应优化为研究对象,结合实际情况进行实验与分析。

1 输水管道布置自适应优化

1.1 长距离输水线路竖向布置

输水管线竖向布置结合管道水力变化结果,在正常运行条件下,使得管道最小内水压力保持在稳定水平[3]。在输水总管进口处设置流量计,在输水管路任意一处的测压管水头为：

式中：h（x）为水库达到x处的水力损失；u为平均流速。

计算在正常运行工况下,水库到点的局部水力损失结果,其公式为：

式中：D为管径长度。

通过计算水头压力,结合管材强度的条件,在通常情况下,可以设定管线埋设高度为3 m。管线要根据管道的匀速转动角度进行竖向填墩[4]。根据供水安全的需要,管线采用河底穿越,管顶埋深要大于河道冲刷线。在与其他埋线管道发生交叉时,需要保证局部管段满足施工规范要求。输水管道在检修运行过程中,需要进行排气。在主管线上分支口处设置控制阀,采用F54G阀为旁通阀,阀门的间距为1.5 m。同时设置排气阀来减少水锤发生。同时在沿线布置监测传感器,能够对不同支线管道的流量进行监测与控制,通过对管网的不断检测来预防水锤发生。如果运行工况较为复杂,在工况切换过程中会导致输水管路发生过渡问题,使得供水流量发生变化,需要对水力过程进行模拟计算,运用本次采用KY-PIPE水锤分析软件,根据平面关系位置建立二维水力计算模型,并在模型节点中输入控制节点高程、管线长度等特性参数,对管道水力过渡过程进行数值模拟计算,对关阀水锤进行复核,为管道安全、稳定运行优选合理的水锤防护措施。

1.2 重力流输水管道压力水锤计算

为计算水锤压力升高问题,通过建立水锤基本方程式进行水锤压力数值计算[5]。分析有压管道中的水锤变化过程,在不同情况下,当水流管道材料和沿管方向不发生变化时,得到运行方程为：

式中：F为管路水头；V为管中的水流速度；θ为管路与正方向的角度；g为重力加速度；t为水锤的传播时间；a为水锤的传播速度。

通过比较水流速度与水锤速度,在不考虑管道摩擦力的条件下,能够将方程转化成为线性方程[6]。设定阀门端点为x,当正向为上游方向时,结合下图对方程进行简化,水击计算示意图,见图1。

图1 水击计算过程图

对于不同断面位置,在不同时间内的水锤压力值都能够形成正向传播的压力波。水锤压力波向水库方向传播,当水锤波向设备进行传播时,在压力管道中的水锤压力为不同波的累积计算值[7]。在发生水锤时,设定管道中的水压分布为均匀状态。在水锤波传播过程中,管壁对于其传播过程产生一定削弱能力。在管道内,发生水锤之间的管道内水流呈稳定状态,此时管道内的水流动状态为：

式中：Q为未知量；A为已知变量。

引入不同的瞬时边界条件,在输水管道中添加水锤保护装置,通过计算边界条件参数,能够得到近似有限差分方程。对管道进行划分,计算步长Δt的结果[8]。结合水压力分布情况,得到在相同时间内的管道不同位置流量结果。

1.3 自适应算法管道布置优化

结合实际工程的具体情况,合理布置排气阀,以保证水锤防护效果。在长距离重力流输水管路中布置隔离水池,对复杂的管道进行简化,设置隔离水池的边界条件公式为：

式中：Δ f 为水位波动幅度；Fi为设计水位。

运用自适应AGS算法对衰减因子进行自适应调整,水在管道内流动时,起初属于无压流状态[9]。在搜索过程中,从无压流变成有压流,压力不断变大,搜索粒子靠近最优解,运用小步长搜索来寻找全局最优解。自适应衰减因子计算结果为：

式中：t为当前的迭代次数；β为起始参数；当β=35是的算法寻优效果最佳。

当管道中压力降低到一定程度时,在得到优化结果后,管道内高压水流可以进入调压塔进行存储[10]。等到管内的瞬时压力大于调压塔的泄压值时,进行泄压排水。这时能够使得管内压力达到相对平衡的状态,达到水位守恒。

2 实验测试与分析

为验证本文优化方法的应用性,设置6个小组。其中运用本文方法的小组为实验组,运用传统方法的小组为对照1～5组。在输水管道工程中,最小输水流量要求在运行状态下进行故障检修时,对6个小组的输水流量最小流量占比进行计算与比较,得到具有更高的设计流量,这样能够达到优化设计目标。

2.1 搭建实验环境

以某供水工程为例,该工程自喀拉玉尔滚水库引水,管线沿五团新总干渠、东干渠、玉阿公路东侧布置,至阿拉尔工业园区水厂结束。地面高差291.4 m,采用重力输水方式,沿途设置1座减压池,2座减压基站,1座末端调节基站。规划年可从喀拉玉尔滚五团灌区输水总量为5520万m3。最大月输水量500万m3,最小月输水量440万m3,由此计算最大输水流量为2.0 m3/s,最小输水流量为1.7 m3/s。

该工程输水管全长108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨铸铁管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃钢管。在管道使用材料选择方面要控制材料的质量,在特殊位置使用钢管进行焊接。供水工程在进行输水过程中,沿线需布置一定数量阀门。分段管材的选用标准见表1。

表1 管材选择标准

根据相似工程的水击计算结果及控制阀门的启闭时间,按管道沿线的最大静水压力作为设计压力取值。在桩号14+650、108+328隔断阀前各安装一台DN250安全泄压阀,桩号32+150、53+300隔断阀前各安装两台DN200安全泄压阀,以及在管道沿线安装空气阀。本工程输水管全长108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨铸铁管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃钢管。同时,设定水锤阀门关闭时间为150 s。通过控制装置调节流量,在管道内流速不断变化过程中测量管道内水流压强,得到管道内的水击结果,按照综合效果判断管材的压力强度,并在检修过程中获取管道内的输水流量。

2.2 结果与分析

在正常运行时,对6个小组的输水管道依次进行检修,获得输水管道内部的输水流量结果见表2。

表2 检修时的输水流量

由实验结果可知,对6个小组的最小流量值进行计算,得到：实验组的最小流量比重为91.3%,对照组的最小流量比重分别为69%、53%、55%、53%、64%。通过对比发现,实验组的输水流量为6个小组中的最大输水流量,其占最小流量的比重也是6个小组中最高的。说明运用本文方法进行自适应优化布置后的输水系统没有负压产生,满足了达到最小流量70%以上的要求,完成自适应优化,实现较好的应用效果。

综上所述,通过建立长距离重力有压输水管路模型,能够在实际运行中对管径进行合理化选择,能够通过不断检修时刻监测管道内部压力,使得在更换流量计或者其他工作时,输水管道能够正常运行。同时,通过流量信号对调节阀进行控制,能够减少管道内产生大幅度的波动,保持管道口的流量稳定,有效消除水锤对布置过程中产生的影响。安装防护设备,管道内压力控制在允许范围之内,无超压现象发生从而提升输水管道运行的可靠性和安全性,完成输水管道的布置优化。

3 结语

本次从自适应优化入手,深入分析重力输水管道问题,探究了长距离重力输水管道布置自适应优化问题。能够使得我国水资源的分布更加均匀,缓解人们对水资源的迫切需求。增加长距离大流量的输水工程建设,使建筑输水管道自适应方案能够得到可行性优化,为规划布置提供了有力的数据支撑,解决了不同影响因素导致的技术问题,能够实现较好的优化效果。但方法中还存在一些不足之处,例如供排水问题,输水管线穿越沟渠等。今后应更加完善计算,通过对保证安全供水,使得长距离输水管线的布置成果更加优化。提升工程设计的可行性,使得管径能够满足实际流量需求。按照实际地质条件寻找合理的布置方式,提高布置的科学性和准确性。通过不断维护与改善,完成对于长距离重力输水管道布置自适应优化的实现。