長距離重力輸水管道布置自適應優化研究

涂俊宏

（新疆峻特設計工程有限公司阿拉爾分公司,新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

隨著現代化社會的飛速發展,為了能夠更合理和科學的對輸水管道進行布置,使得長距離重力有壓流的管路能夠更加安全地運行,通過建立長距離輸水管道壓力模型來將流量進行均勻控制。通過對不同模塊的合理使用,在忽略管橋帶來的水力損失基礎上,能夠根據水力學原理,得到較為優化的重力輸水管路連通布置的設計方法[1]。根據分析不同管理之間的距離,使得輸水流量問題得到改善,水力坡降線變緩。通過對輸水管道中氣囊運動過程進行總結,不僅可以節約成本,還能夠使綜合布置得到高效運作。水庫作為大規模儲水設施,可以儲存大量的水資源。通過長距離管道輸水,可以將水庫中的水穩定、可靠地輸送到水廠,確保水廠有持續的供水來源。隨著現代科學技術水平的提升,日常維護工作任務量得到緩解,減少工程項目的成本,提升工程建設的安全性,具有廣闊的發展前景[2]。經過計算分析和實際工程研究中發現,長距離重力輸水管道中經常發生水錘事故。由于輸水管道內排氣不暢,單閘閥失靈造成水錘事故,水錘壓力升高達到百米,發生爆管事故會嚴重危害到輸水管道的安全施工使得結果難以符合預期。因此現階段,以長距離重力輸水管道布置自適應優化為研究對象,結合實際情況進行實驗與分析。

1 輸水管道布置自適應優化

1.1 長距離輸水線路豎向布置

輸水管線豎向布置結合管道水力變化結果,在正常運行條件下,使得管道最小內水壓力保持在穩定水平[3]。在輸水總管進口處設置流量計,在輸水管路任意一處的測壓管水頭為：

式中：h（x）為水庫達到x處的水力損失；u為平均流速。

計算在正常運行工況下,水庫到點的局部水力損失結果,其公式為：

式中：D為管徑長度。

通過計算水頭壓力,結合管材強度的條件,在通常情況下,可以設定管線埋設高度為3 m。管線要根據管道的勻速轉動角度進行豎向填墩[4]。根據供水安全的需要,管線采用河底穿越,管頂埋深要大于河道沖刷線。在與其他埋線管道發生交叉時,需要保證局部管段滿足施工規范要求。輸水管道在檢修運行過程中,需要進行排氣。在主管線上分支口處設置控制閥,采用F54G閥為旁通閥,閥門的間距為1.5 m。同時設置排氣閥來減少水錘發生。同時在沿線布置監測傳感器,能夠對不同支線管道的流量進行監測與控制,通過對管網的不斷檢測來預防水錘發生。如果運行工況較為復雜,在工況切換過程中會導致輸水管路發生過渡問題,使得供水流量發生變化,需要對水力過程進行模擬計算,運用本次采用KY-PIPE水錘分析軟件,根據平面關系位置建立二維水力計算模型,并在模型節點中輸入控制節點高程、管線長度等特性參數,對管道水力過渡過程進行數值模擬計算,對關閥水錘進行復核,為管道安全、穩定運行優選合理的水錘防護措施。

1.2 重力流輸水管道壓力水錘計算

為計算水錘壓力升高問題,通過建立水錘基本方程式進行水錘壓力數值計算[5]。分析有壓管道中的水錘變化過程,在不同情況下,當水流管道材料和沿管方向不發生變化時,得到運行方程為：

式中：F為管路水頭；V為管中的水流速度；θ為管路與正方向的角度；g為重力加速度；t為水錘的傳播時間；a為水錘的傳播速度。

通過比較水流速度與水錘速度,在不考慮管道摩擦力的條件下,能夠將方程轉化成為線性方程[6]。設定閥門端點為x,當正向為上游方向時,結合下圖對方程進行簡化,水擊計算示意圖,見圖1。

圖1 水擊計算過程圖

對于不同斷面位置,在不同時間內的水錘壓力值都能夠形成正向傳播的壓力波。水錘壓力波向水庫方向傳播,當水錘波向設備進行傳播時,在壓力管道中的水錘壓力為不同波的累積計算值[7]。在發生水錘時,設定管道中的水壓分布為均勻狀態。在水錘波傳播過程中,管壁對于其傳播過程產生一定削弱能力。在管道內,發生水錘之間的管道內水流呈穩定狀態,此時管道內的水流動狀態為：

式中：Q為未知量；A為已知變量。

引入不同的瞬時邊界條件,在輸水管道中添加水錘保護裝置,通過計算邊界條件參數,能夠得到近似有限差分方程。對管道進行劃分,計算步長Δt的結果[8]。結合水壓力分布情況,得到在相同時間內的管道不同位置流量結果。

1.3 自適應算法管道布置優化

結合實際工程的具體情況,合理布置排氣閥,以保證水錘防護效果。在長距離重力流輸水管路中布置隔離水池,對復雜的管道進行簡化,設置隔離水池的邊界條件公式為：

式中：Δ f 為水位波動幅度；Fi為設計水位。

運用自適應AGS算法對衰減因子進行自適應調整,水在管道內流動時,起初屬于無壓流狀態[9]。在搜索過程中,從無壓流變成有壓流,壓力不斷變大,搜索粒子靠近最優解,運用小步長搜索來尋找全局最優解。自適應衰減因子計算結果為：

式中：t為當前的迭代次數；β為起始參數；當β=35是的算法尋優效果最佳。

當管道中壓力降低到一定程度時,在得到優化結果后,管道內高壓水流可以進入調壓塔進行存儲[10]。等到管內的瞬時壓力大于調壓塔的泄壓值時,進行泄壓排水。這時能夠使得管內壓力達到相對平衡的狀態,達到水位守恒。

2 實驗測試與分析

為驗證本文優化方法的應用性,設置6個小組。其中運用本文方法的小組為實驗組,運用傳統方法的小組為對照1～5組。在輸水管道工程中,最小輸水流量要求在運行狀態下進行故障檢修時,對6個小組的輸水流量最小流量占比進行計算與比較,得到具有更高的設計流量,這樣能夠達到優化設計目標。

2.1 搭建實驗環境

以某供水工程為例,該工程自喀拉玉爾滾水庫引水,管線沿五團新總干渠、東干渠、玉阿公路東側布置,至阿拉爾工業園區水廠結束。地面高差291.4 m,采用重力輸水方式,沿途設置1座減壓池,2座減壓基站,1座末端調節基站。規劃年可從喀拉玉爾滾五團灌區輸水總量為5520萬m3。最大月輸水量500萬m3,最小月輸水量440萬m3,由此計算最大輸水流量為2.0 m3/s,最小輸水流量為1.7 m3/s。

該工程輸水管全長108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨鑄鐵管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃鋼管。在管道使用材料選擇方面要控制材料的質量,在特殊位置使用鋼管進行焊接。供水工程在進行輸水過程中,沿線需布置一定數量閥門。分段管材的選用標準見表1。

表1 管材選擇標準

根據相似工程的水擊計算結果及控制閥門的啟閉時間,按管道沿線的最大靜水壓力作為設計壓力取值。在樁號14+650、108+328隔斷閥前各安裝一臺DN250安全泄壓閥,樁號32+150、53+300隔斷閥前各安裝兩臺DN200安全泄壓閥,以及在管道沿線安裝空氣閥。本工程輸水管全長108.328 km,0+000～13+100段采用DN1000的球墨鑄鐵管（K9）,13+100～108+328段采用 1.0 MPa,DN1200的玻璃鋼管。同時,設定水錘閥門關閉時間為150 s。通過控制裝置調節流量,在管道內流速不斷變化過程中測量管道內水流壓強,得到管道內的水擊結果,按照綜合效果判斷管材的壓力強度,并在檢修過程中獲取管道內的輸水流量。

2.2 結果與分析

在正常運行時,對6個小組的輸水管道依次進行檢修,獲得輸水管道內部的輸水流量結果見表2。

表2 檢修時的輸水流量

由實驗結果可知,對6個小組的最小流量值進行計算,得到：實驗組的最小流量比重為91.3%,對照組的最小流量比重分別為69%、53%、55%、53%、64%。通過對比發現,實驗組的輸水流量為6個小組中的最大輸水流量,其占最小流量的比重也是6個小組中最高的。說明運用本文方法進行自適應優化布置后的輸水系統沒有負壓產生,滿足了達到最小流量70%以上的要求,完成自適應優化,實現較好的應用效果。

綜上所述,通過建立長距離重力有壓輸水管路模型,能夠在實際運行中對管徑進行合理化選擇,能夠通過不斷檢修時刻監測管道內部壓力,使得在更換流量計或者其他工作時,輸水管道能夠正常運行。同時,通過流量信號對調節閥進行控制,能夠減少管道內產生大幅度的波動,保持管道口的流量穩定,有效消除水錘對布置過程中產生的影響。安裝防護設備,管道內壓力控制在允許范圍之內,無超壓現象發生從而提升輸水管道運行的可靠性和安全性,完成輸水管道的布置優化。

3 結語

本次從自適應優化入手,深入分析重力輸水管道問題,探究了長距離重力輸水管道布置自適應優化問題。能夠使得我國水資源的分布更加均勻,緩解人們對水資源的迫切需求。增加長距離大流量的輸水工程建設,使建筑輸水管道自適應方案能夠得到可行性優化,為規劃布置提供了有力的數據支撐,解決了不同影響因素導致的技術問題,能夠實現較好的優化效果。但方法中還存在一些不足之處,例如供排水問題,輸水管線穿越溝渠等。今后應更加完善計算,通過對保證安全供水,使得長距離輸水管線的布置成果更加優化。提升工程設計的可行性,使得管徑能夠滿足實際流量需求。按照實際地質條件尋找合理的布置方式,提高布置的科學性和準確性。通過不斷維護與改善,完成對于長距離重力輸水管道布置自適應優化的實現。