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nQ，设平行管线的直径和长度相同，则该系统的水头损失为：h=s2nQ=22Qns（1）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=s21nQa=22)1(aQns（2）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=Qnn1aQ平行管线数为n=2时，则a=2120.5，这样事故流量只有正常流量时供水量的一半。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2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=A2Q22Q2=Q-Q1联立并解以上方程组可得：Q1=212AAQA,m3/s令k=212AAA,则Q1=kQ;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DN1DN2lL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)2lDN1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,3得:A1(aKQ)2(L-l)＋A1(aQ)2l=A1(KQ)2L化简后得:l=)1()1(2222KaaLK，m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(495122KLK其中：k=212AAA当DN1=DN2时，l=14751L≈31，所以为保证输水管损坏时的事故流量，并用两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=)1(495122KLK=)3563.01(493563.0200005122=3083m可根据当地实际情况每隔3km左右设一组连通管。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4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，Ⅰ为输水管正常工作时的Q—∑h特性曲线，Ⅱ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：QQQaHHbⅡⅠQHPHHaH0ab∑hQ∑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－nsnsd1)Q2a（4）式中：H0—水泵静扬程；sp—泵站内部管线的摩阻；sd—两条输水管的当量摩阻；ds1=11s＋21s5sd=22121)(ssss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=dpbsssHH0（3）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=nsssssHHddpb1)(10（6）从式（6）和式（3）得事故时和正常时的流量比例为：QQa=a=nssssssssddpdp1)(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n=dpddpdsssssasssass)(96.0)1)(()(12212.1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，6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=250DN=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/L2S2=1.025×10-6×12400=0.013m.s2/L2两条输水管的当量摩阻为：Sd=005.0)034.0013.0(034.0013.02m.s2/L2分段数为：n=6.3)7.01)(005.000021.00026.0(7.0)005.0034.0(22设分成4段，即n=4，得事故时流量等于：Qa=0.8241)005.0034.0(005.000021.00026.00.403.141L/s正常时流量为：Q=9.113005.000021.00062.00.403.141L/s事故时和正常工作时的流量比为：a=72.09.1130.82大于规定的=70%的要求。3、连通管及连通管阀门的管径选择连通管和连通管阀门仅在输水干管发生事故或检修时短时间使用,在不影响使用的情况下,尽量选择管径小一些的。当两条输水干管的管径相同时,连通管和7连通管阀门宜选择比输水干管小一号的管径；当两条输水干管的管径不相同时,连通管及连通管阀门应采用较小输水干管的管径。