非洲赞比亚卡夫拉夫塔供水工程优化设计
何文宇。
摘要：本文以赞比亚卡夫拉夫塔供水工程为例，阐述了长距离输水管线中二次增压泵站选址的要点，着重研究了地形对水泵扬程和系统方案的影响。结合非洲实际情况，对系统进行水锤模拟，综合比选了防水锤型复合排气阀，水锤预作用阀与内胆式水锤消除罐的水锤防护效果。随着“一带一路”项目的日益增多，本文对于非洲地区类似原水输水工程具有借鉴意义。
Abstract： This paper took Zambia Kafulafuta Water Supply Project in Africa as an example， expounded the key points of the site selection of the secondary booster pump station in the long—distance water transmission project， and studied the influence of topography on the pump head and system scheme. This paper considered the actual situation in Africa， and conducted the water hammer simulation. Water hammer compound exhaust valve， water hammer preaction valve， water hammer elimination tank were compared. With the increasing number of "The Belt and Road" projects， this paper is of reference significance for similar raw water transmission projects in Africa.
Key words： long—distance water transmission;site selection of pump station;water hammer simulation;The Belt and Road。
中图分类号：TU991.39 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2020）03—0291—05。
0 引言。
赞比亚铜带省早在1984年就委托英国阿特金斯公司对恩多拉地区的进行水源规划，并于1986年编制了《恩多拉长期用水研究：卡夫拉夫塔水源可行性研究》，可研成果确定在现状水源卡夫布河的基础上，在卡夫拉夫塔河上新建大坝，明确优先选择卡夫拉夫塔河作为恩多拉区域的主水源，改善区域供水水质，提升供水安全性，形成双水源供水格局，保护当地居民健康，促进该区域社会经济的综合、稳定发展。
近年来，由于铜带省快速城镇化和工业化，污水处理厂设施陈旧，现状取水水源卡夫布河受污染严重，取水无法满足要求。赞比亚地方政府和住建部决定重启卡夫拉夫塔供水工程。在“一带一路”倡议的指引下，中国公司主导了本工程的设计咨询及建设，项目的建设获得了当地居民及政府的认可与支持。
本工程位于赞比亚铜带省，近期建设任务为替换Kafubu水厂（8.1×104m3/d），Mikomfwa水厂（2×104m3/d），Makoma水厂（5.7×104m3/d）和Boma水厂（0.125×104m3/d）的原水水源，供水规模总计15.925×104m3/d。由于恩多拉市远期用水片区及增长率的不确定性，取水泵站、中间加压泵站及至四个水厂的管线，均按近期规模建造。考虑四座水厂部分自用水量和原水输水管道漏损水量后，确定本工程设计流量为17.5×104m3/d。
1 原水系统方案分析。
根据业主方提供的原始系统方案，近期原水通过大坝内的分层取水塔取水，通过1根DN1400原水管输送至取水泵房，串联增压后通过一根DN1200原水管敷设至中途增压泵站，中途分配0.125×104m3/d原水至Boma水厂。中途增压泵站出水分别敷设DN800，DN600，DN1000原水管至Makoma、Mikomfwa、Kafubu三座水厂。原始系统方案如图1所示。
原始方案主要存在问题如下：
①沿线高低起伏，取水泵房至增压泵房8.3km处有中途高点1215m（赞比亚高程，下同）;增压泵房至Kafubu水厂30km处有中途高点1253m，取水泵站和中途增压泵站水泵扬程因此增加，高点之后的重力流高差较大，导致存在近水头浪费的情况;。
②中途增压泵站出厂三根原水管存在3.5km并线敷设，管线多重复路径，占用管道敷设的土地资源，增加管长和维护管理，管线漏失几率增大，管线水损增加;。
③对于Makoma水厂来说，中途增压幅度不大，但二次提升增加水头损耗;。
⑤原方案未提及水锤防护措施，非洲低区管理水平差，用电可靠性低，高扬程水泵房输水安全性难以保证，需配备防水锤措施。
针对原始方案存在的问题，本文主要从中途增压泵站选址，部分管径优化，水锤防护等方面对系统进行优化设计。
2 系统优化方案。
通过对原方案的分析，取水泵站扬程为84m，地面标高1166m，距离取水泵站约8.3km处为局部高点，标高1215m，中途增压泵站标高1169m，距离取水泵站14.4km。根据水力计算，如敷设一根DN1200原水管，需约84m可越过中途高点，此时原水进入中途增压泵站尚有约30m富余，需减压进水，存在水头浪费，供水安全性也较差。
2.1.1 方案一。
方案一充分利用取水泵站为越过中途高点而增加的扬程，将泵站往北移动约5.2km至标高1192m处，对应水力坡降线如图2中方案一所示。本方案取水泵站扬程由84m提高至90m，避免了原水泵房水泵扬程的浪费，同时减少了泵站后管线的重复路径，降低了中途增压泵站的扬程。
2.1.2 方案二。
方案一中增压泵站至Makoma方向二次增压扬程不高（约48m），由于该地区地形南低北高，中途增压泵站理论上可继续北移至高程适当的位置，从而彻底省去中途增压泵站至Makoma水厂方向的二次提升，在减少同路径分压多管供水的同时，中途增压泵站前延长了大管道统一输水的距离，输水损失更小。经现场勘察，往北2.7km处地面高程合适，可省去至Makoma水厂方向的二次增压。经计算，中途增压泵站至Makoma水厂的原水管管径需从DN800放大至DN900，已确保原水进入Makoma无需二次增压。对应水力坡降线如图2中方案二所示。
两个中途泵站选址方案具有的特点如下：①从能耗角度，两个方案均避免了因跨越中途高点而造成的取水泵站揚程浪费;②从管理角度，方案二省去了至Makoma水厂的二次增压，管理更为便捷，运行能耗也有所节省;③从征地角度，符合方案二所需标高的泵站用地权属为宗教用地，征地成本较高，谈判周期较长。方案一用地隶属于卡夫布水司，实施可行性较高;④从近远期结合角度，由于远期供水方向的不确定性，方案二用地较为紧张，远期扩建难度大于方案一。
权衡以上几方面利弊后，尽管方案二具有诸多优势，本工程最终确定方案一为中途增压泵站选址。
本工程除取水泵站至中途增压泵站存在中途高点外，中途增压泵站至Kafubu水厂同样存在中途高点，高点标高1250m，距离中途增压泵站约25km。原设计方案采用1跟DN1000原水管至Kafubu水厂，经水力计算，需水泵扬程154m，进厂前仍需消能约21m。考虑到供水安全性以及管道的经济性，拟在最高点后，将DN1000管径缩至DN800，原水越过最高点后，重力进入Kafubu水厂，水厂进水前设置持压阀以保障进水安全。
2.3 系统优化结论。
根据以上中途泵站选址的比选以及至Kafubu水厂方向管径优化，本工程确定的供水系统方案如图3所示。根据本工程各管段的压力工况，结合管道首选压力等级，大部分管径的管道选用首选等级C25，均能满足压力要求，其中DN600首选等级为C30。
水锤通常起因于水泵的快速启动和开阀停车，阀门的快速开启和关闭，系统边界条件的快速变化，用水需求的骤然变化，输水管线的故障（管道断裂或封冻），管道的充水和排空以及液控液控阀门或调节阀的动作等。其中，停泵水锤、关阀水锤是最普遍，破坏性最强的一种水力瞬态事件。
赞比亚铜带省基础设施水平较低，停电发生概率高，当地管理水平较低，因此考虑进行水锤防护分析。通常利用水锤防护设备延迟并减缓水力瞬变的发生过程，管道水流降压或者发生负压时向管内注气或注水，而升压时向管道外部排气或排水。水锤防护设备主要有压力波动预止阀、空气阀、单向调压塔、气压罐等。
3.1 防护措施。
3.1.1 防水锤型复合排气阀。
防水锤型复合式排气阀为防止充水速度过快产生水锤，设置有防水锤、降噪组件，具备快开缓闭功能及配件。防水锤排气阀先快速大量排气到设定压力后，再缓慢排放剩余全部微量气体，从而避免因排气速度过快，管线压力迅速上升而导致水锤及撞击。
3.1.2 水锤预作用阀。
水锤预作用阀用以防止水泵开启和关闭或停电而造成停泵时管道系统中所引起的压力波动，能够可靠地保护水泵及输水管道。管道当中的压力波动往来迅速，出现时段可能为瞬时现象，普通水力控制阀只能在连续的升压或持续的降压工况下打开，在瞬间出现的快速压升或者压降工况下，往往无法开启。电磁联动式水锤预作用阀通过与压力传感器的结合，可以避免一般安全泄压阀打开不及时的现象，确保系统安全[1]。
除预防压力波动外，水锤预作用阀还具有防止系统超压，即安全阀功能。当系统压力持续升高，并超出高压控制导阀的设定值，主阀可立即开启，泄放系统压力。当系统压力下降至正常压力范围，低于导阀设定值时，主阀自动缓慢关闭。
系统在正常压力工况下为常关型阀门，在压力波动下开启时能保证自动复位功能，并在复位时，自动进行线型关闭，不会由于阀门关闭速度不当而产生二次压力波动。
3.1.3 内胆式水锤消除罐。
内胆式空气罐利用罐内气体受到管线上的压力作用压缩，形成缓冲气囊，并利用气体的可压缩性对瞬变流当中的压力波动起到缓冲作用，从而进行水锤防护。
3.2 瞬变流无保护工况。
当取水泵站至中途增压泵站未设置水锤防护措施时，水泵止回阀速闭，沿程高点设置普通排气阀，尽管取水泵站扬程为90m，在泵站瞬间失电工况下，中途第一个高点前（约4km），存在明显的弥合水锤，需要针对性的防护。从图4可知，事故断电35s左右，泵后承受的最大正压力超过150m，事故断电270s左右，最大正压力可达到260m，同时压力波传回泵站存在一定的负压工况。
根据图5的无保护管道压力包络图显示，水柱弥合现象较为明显，第一个高点前，管道最高压力超过260m（1410—1150m），而此段管道为C25等级，水锤时存在爆管风险。
3.3 瞬变流有保护工况。
根据瞬变流无保护工况的模拟结果，以取水泵站到中途增壓泵站为例，考虑对应的水锤防护措施：①在取水泵站处设置2台DN300水锤预作用阀;②泵站出口以及第一个高点（4214m）之前设置DN150防水锤型空气阀，沿线设置复合排气阀;③由于负压情况基本不存在，暂不考虑设置调压塔等设施。
根据模拟结果，泵站失电后，水锤防护措施发挥作用，泵站处最大正压力由无保护前的260m显著减弱，断电后300s内，压力波动基本维持在50—60m之间。同时管道沿线压力包络图显示，第一个高点前管道最高压力由260m降至85m（1245—1160m）。
通过水锤预作用阀+防水锤型空气阀的组合，取水泵站至中途增压泵站段的管线得到了有效的保护，使沿线管线在合理、安全的压力下运行。（图6、图7）。
方案二考虑采用内胆式水锤罐+防水锤型空气阀的水锤防护方式：①在取水泵站处设置1台60m3内胆式空气罐，替代水锤预作用阀;②第一个高点（4214m）之前设置DN150防水锤型空气阀，沿线根据工程实际情况，设置复合排气阀;③方案一中泵站出口处的防水锤型空气阀可不设置。
根据模拟结果，水锤罐作用较为明显，最大正压力显著减弱，并且波动更为平缓，产生负压概率更低。管道沿线压力包络图显示，第一个高点前管道最高压力为70m（1250—1180m），显著低于无保护工况，也低于设置水锤预作用阀的工况。（图8、图9）。
通过以上防水锤方式的模拟，两种方式均能够对管线系统起到保护，失电时，泵后最大压力均可由无保护工况时的260m降至50—60m，同时根据管道压力包络线，取水泵站至中途泵站管道所承受最大压力分别降至85m（1245—1160m）和70m（1250—1180m）。然而，根据调研，当地对于水锤罐的维护能力较差，有较多泵房由于水锤罐损坏，目前处于无保护运行状态。本项目取水泵站压力不高，两种方式均能对管线的水锤防护效果相近，而水锤罐投资略高于水锤预作用阀门，且维护不易，占地较大，因此对于取水泵站到中途增压泵站，本文推荐采用“水锤预作用阀+防水锤型空气阀”的组合防护方式，沿线设置2台DN300水锤预作用阀，4台DN150防水锤型空气阀（水泵站处亦需要考虑1台）。通过对其余各管段的水锤模拟，同样推荐以上的水锤防护方式。
4 结语。
①本项目地处非洲，为长距离输水项目，项目应充分考虑当地的运行管理水平，水资源及电力供应情况，对供水系统进行技术经济比选优化。②系统选择应格外注意中途高点对水泵扬程和泵站选址的影响，权衡取水泵站和中途泵站水泵的扬程、泵站选址高程、管道压力等级、沿线地形、征地难易和管材费用等多方面的因素。③通过水锤软件模拟分析，结合铜带省实际情况及管理水平，综合确定水锤防护方案。本工程推荐采用“水锤预作用阀+防水锤型空气阀”的水锤防护方式。
参考文献：
[1]刘青松.非洲赞比亚长距离超高压输水系统优化设计[J].工程建设与设计，2017：104—108.
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[3]代元锋.遵义灌区水泊渡泵站后边坡处理设计优化研究[J].价值工程，2019，38（25）：176—179.