长距离双管输水连接管分段设计计算.doc

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，设平行管线的直径和长度相同，则该系统的水头损失为：
h=s= （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=s= （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=aQ
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
令k=,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)。

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
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
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=
其中：k=
当DN1=DN2时，l=≈，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===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：

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）
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；
=＋
sd=
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）
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）
从式（6）和式（3）得事故时和正常时的流量比例为：
=a=
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=
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。

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/L2
分段数为：n=
设分成4段，即n=4，得事故时流量等于：
Qa=L/s
正常时流量为：
Q=L/s
事故时和正常工作时的流量比为：
a=
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。

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