龐鍇鋒，唐 迪，劉智慧，刁美玲，高金良

(1.大連市供水有限公司，遼寧 大連 116021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

前段陡坡長(zhǎng)距離供水工程水錘防護(hù)方案優(yōu)選

龐鍇鋒1，唐 迪1，劉智慧2，刁美玲2，高金良2

(1.大連市供水有限公司，遼寧 大連 116021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090)

文章結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)某長(zhǎng)輸管線(xiàn)供水工程實(shí)例，針對(duì)長(zhǎng)距離、高起伏、前段有陡坡的長(zhǎng)輸供水系統(tǒng)水錘防護(hù)問(wèn)題，對(duì)事故停泵水錘防護(hù)效果模擬分析，通過(guò)分別調(diào)節(jié)兩階段緩閉止回閥、調(diào)壓塔和氣壓罐等水錘防護(hù)設(shè)備形成不同水錘防護(hù)方案，最終通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能綜合比選出最優(yōu)方案。結(jié)果表明，在前段有陡坡的長(zhǎng)距離供水工程中，以空氣閥為基礎(chǔ)防護(hù)設(shè)備，在管線(xiàn)中綜合設(shè)置兩階段緩閉止回閥和氣壓罐，能夠有效緩解過(guò)高和過(guò)低的水錘壓力，水錘防護(hù)效果最好。

長(zhǎng)輸管線(xiàn)；前段陡坡；水錘防護(hù)；事故停泵

由于地形限制，我國(guó)長(zhǎng)距離高起伏供水系統(tǒng)居多，其中最具典型的沿線(xiàn)縱向高程變化形式有“V”型、倒“V”型、“M”型、“W”型、“前段陡坡”型等。一旦發(fā)生事故停泵，長(zhǎng)距離供水管道中極易產(chǎn)生水錘，尤其是在管道坡峰處壓力變化巨大，嚴(yán)重影響供水系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行[1]。水錘事故輕則使管道爆裂，止回閥的上蓋頂或殼體被打壞大量漏水，供水暫時(shí)中斷；重則釀成泵站被淹毀、泵船沉沒(méi)等嚴(yán)重事故[2]。因此，對(duì)停泵水錘進(jìn)行全面模擬分析，選擇安全經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施，在管線(xiàn)中合理設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備可有效保證長(zhǎng)距離供水工程運(yùn)行的安全。

“前段陡坡”型(即供水工程起端處于較低地勢(shì)，管線(xiàn)標(biāo)高平緩，然后短距離內(nèi)管線(xiàn)標(biāo)高陡然升高)于河灘、庫(kù)區(qū)取水工程中常見(jiàn)。文章結(jié)合“前段陡坡”型長(zhǎng)距離供水工程實(shí)例，進(jìn)行水錘防護(hù)方案優(yōu)選研究，為該類(lèi)型長(zhǎng)距離供水工程水錘防護(hù)提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

YS工程位于我國(guó)北方地區(qū)，是一項(xiàng)特色農(nóng)業(yè)供水工程。本工程管線(xiàn)全長(zhǎng)22.4 km，設(shè)計(jì)承壓能力2.0 MPa，為泵送流單管供水系統(tǒng)。泵站位于樁號(hào)0-127處，內(nèi)設(shè)3臺(tái)離心式水泵，2用1備，單泵流量0.605 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程77 m。水泵吸水井水位156.02 m，管線(xiàn)末端水池水位207.45 m。供水管材為球墨鑄鐵管，管徑DN1200。本工程特點(diǎn)是地形起伏大，前段有陡坡，后段起伏小，供水管線(xiàn)距離長(zhǎng)，屬于典型的“前段陡坡”型長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。

圖1 YS工程管線(xiàn)縱斷面示意圖

2 基礎(chǔ)水力分析

該段管線(xiàn)穩(wěn)態(tài)壓力分布見(jiàn)圖2。

圖2 管線(xiàn)穩(wěn)態(tài)壓力分布圖

全線(xiàn)未設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備，僅靠空氣閥防護(hù)時(shí)，管線(xiàn)前段地形起伏大，存在陡坡，產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)壓。水錘防護(hù)效果見(jiàn)圖3。由圖可知，最大壓力在樁號(hào)174.38處，為104.7 mH2O，低于正壓上限，全線(xiàn)自由水頭均未超出正壓上限，滿(mǎn)足要求；但在管線(xiàn)起端有較長(zhǎng)的負(fù)壓段，低于負(fù)壓下限-8 mH2O，負(fù)壓嚴(yán)重，甚至達(dá)到汽化值-10 mH2O。水錘防護(hù)重點(diǎn)是停泵時(shí)水泵出口高壓、前段陡坡負(fù)壓及管線(xiàn)末端負(fù)壓?jiǎn)栴}。因此現(xiàn)有設(shè)備不滿(mǎn)足水錘防護(hù)要求，有必要設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備，以保證管線(xiàn)安全行。

圖3 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

3 水錘防護(hù)方案優(yōu)選

水錘防護(hù)設(shè)備眾多，在供水管線(xiàn)上設(shè)置水泵出口止回閥、空氣閥、單向調(diào)壓塔、氣壓罐以及超壓泄壓閥等設(shè)備，是長(zhǎng)輸管道水泵機(jī)組事故停機(jī)水錘沖擊防護(hù)的有效措施。其中空氣閥作為一種基礎(chǔ)防護(hù)措施，在長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)水錘防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)空氣閥在高壓氣體沖擊下或管道排空時(shí)閥球被卡住而無(wú)法正常排氣，實(shí)際工程中常結(jié)合采用排氣迅速、排氣量大的三級(jí)緩排式空氣閥和復(fù)合式空氣閥[3]。

本工程設(shè)置空氣閥31處，其中10處三級(jí)緩排式空氣閥(在管線(xiàn)坡峰處設(shè)置)，21處復(fù)合式空氣閥(管線(xiàn)起伏不大處設(shè)置)，作為水錘防護(hù)基礎(chǔ)措施。

在水錘防護(hù)設(shè)備中，止回閥是最簡(jiǎn)單的防護(hù)措施，通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)閥時(shí)間進(jìn)行水錘防護(hù)，但負(fù)壓防護(hù)效果較為微弱；單向調(diào)壓塔可以解決管線(xiàn)中大部分負(fù)壓?jiǎn)栴}，但是局部坡峰處仍然會(huì)出現(xiàn)斷流問(wèn)題；抗水錘氣壓罐用于消減停泵水錘時(shí)連接在水泵出水止回閥后的壓力供水管道上，具有抗水錘性能全面、安全可靠、使用方便、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但工程投資較大。這些水錘防護(hù)設(shè)備技術(shù)成熟，且都有實(shí)踐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此文章針對(duì)這3種水錘防護(hù)設(shè)備形成不同的水錘防護(hù)方案，進(jìn)行多方案對(duì)比分析研究，優(yōu)選適宜的水錘防護(hù)方案。

3.1 方案一(兩階段緩閉止回閥)

在各水泵出口設(shè)置兩階段控制閥，關(guān)閥時(shí)間第一階段關(guān)閉70%用時(shí)3 s，第二階段關(guān)閉30%用時(shí)7 s。水錘防護(hù)結(jié)果如圖4。全線(xiàn)最大壓力165.7 mH2O，高于正壓上限160 mH2O，最小壓力-10 mH2O，達(dá)到汽化值。分析可知，管線(xiàn)前段約4 km，即有陡坡處最大壓力大部分超出正壓上限，最小壓力有一部分遠(yuǎn)超負(fù)壓下限，甚至達(dá)到汽化值。計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足水錘防護(hù)要求。

3.2 方案二(調(diào)壓塔+兩階段緩閉止回閥)

在樁號(hào)2+640、4+418.06處設(shè)置調(diào)壓塔1、2。調(diào)壓塔1塔高7 m，直徑4 m，水深5 m；調(diào)壓塔2塔高4 m，直徑2 m，水深1.5 m，并在各水泵出口設(shè)置兩階段控制閥。水錘防護(hù)結(jié)果如圖5。最大壓力115.5 mH2O(樁號(hào)0+440處)，最小壓力-7 mH2O(樁號(hào)3+650處)，在水錘防護(hù)要求范圍內(nèi)。全線(xiàn)最大壓力均<正壓上限，全線(xiàn)負(fù)壓均在負(fù)壓下限-8m H2O內(nèi)。分析可知滿(mǎn)足水錘防護(hù)要求。

3.3 方案三(氣壓罐+兩階段緩閉止回閥)

在泵站出水母管處設(shè)置1個(gè)10 m3氣壓罐，充存壓力140 kPa，并在各水泵出口設(shè)置兩階段控制閥。水錘防護(hù)結(jié)果如圖6。最大壓力123.8 mH2O(樁號(hào)0-66處)，最小壓力-3.7 mH2O(樁號(hào)4+418.06處)，在水錘防護(hù)要求范圍內(nèi)。全線(xiàn)最大壓力均小于正壓上限，全線(xiàn)負(fù)壓均在負(fù)壓下限-8 mH2O內(nèi)。分析可知滿(mǎn)足水錘防護(hù)要求，且負(fù)壓的水錘壓力緩解效果好。

圖4 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)(方案一)

圖5 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)(方案二)

圖6 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)(方案三)

3.4 方案優(yōu)選

水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。方案一在空氣閥基礎(chǔ)上設(shè)置兩階段止回閥，防護(hù)設(shè)備單一，安全性低，最大壓力和最小壓力均超出范圍，且事故停泵時(shí)水泵反轉(zhuǎn)，不滿(mǎn)足防護(hù)要求。方案二和方案三綜合設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備，一旦其中一個(gè)防護(hù)設(shè)備拒動(dòng)，其余設(shè)備可緩解一定水錘壓力，安全性高，且都可有效緩解輸水管道中的水錘降壓，水泵轉(zhuǎn)速及水泵閥后壓力都滿(mǎn)足要求。但方案三防負(fù)壓效果最優(yōu)，同時(shí)氣壓罐即可以防負(fù)壓，又可以防正壓，抗水錘性能全面，魯棒性較好。

表1 水錘模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)3種方案定量分析后，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較(表2)可知，方案三水錘防護(hù)效果好，方便管理，安全性高，造價(jià)低，最終被確定為最佳方案。

表2 水錘防護(hù)方案優(yōu)選

4 結(jié) 論

對(duì)于長(zhǎng)距離、前段有陡坡、一次加壓提升的長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)，結(jié)合采用氣壓罐和兩階段緩閉止回閥和空氣閥水錘防護(hù)設(shè)備，能有效緩解前段有陡坡過(guò)低的水錘壓力，水錘防護(hù)效果較為理想。實(shí)際工程中將不同水錘防護(hù)設(shè)備互相配合、互相協(xié)調(diào)進(jìn)行水錘防護(hù)，防止其中一個(gè)防護(hù)設(shè)備拒動(dòng)造成的水錘危害問(wèn)題，有效地對(duì)水錘進(jìn)行防護(hù)，提高供水系統(tǒng)安全性。

[1]唐迪，刁美玲，王婷婷.超高落差長(zhǎng)輸供水工程減壓消能方案優(yōu)選實(shí)例研究[J].黑龍江水利，2015，1(06)：11-13，23.

[2]翟翠婷.高揚(yáng)程多起伏長(zhǎng)距離壓力輸水管道水錘防護(hù)特點(diǎn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[3]陳立志，張慶坤，王一喬，等.在長(zhǎng)距離高揚(yáng)程輸水管道工程中噴嘴式止回閥水錘防護(hù)效果研究[J].珠江水運(yùn)，2015(01)：58-59.

Water Hammer Protection Scheme Optimization for Long-distance Water Supply Project on Front Steep Slope

PANG Kai-feng1;TANG Di1;LIU Zhi-hui2;DIAO Mei-ling2and GAO Jin-liang2

(1.Dalian Urban Water Supply Limited Company, Dalian 116021, China; 2. Municipal Environmental Engineering Institute Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Combined with a long-distance water conveyance pipeline project about water supply for a northern area in China, the effects of water hammer protection when pump stopping caused by the accident was simulated according to the water hammer protection problems, as example, long distance, huge terrain variation and sheep slope ahead, by regulating respectively the equipment of water hammer protection including the two stage check valve, pressure regulating tower and air pressure tank, the water hammer protection scheme was formed, finally, the optimal water hammer protection scheme was determined based on comprehensive comparison of technical and economic performance. The results show that it will effectively alleviate the high and low water pressure when the air pressure tank and two stage slowly-closing check valve are installed together if the air valve acts as the basic protective equipment, and the effects of water hammer protection is the best in the front long-distance water supply project on the sheep slope.

long-distance water conveyance pipeline;front steep slope; surge protection; pump trip

1007-7596(2017)06-0075-03

2017-05-18

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)：城市市政管網(wǎng)運(yùn)行安全保障技術(shù)研究(2016YFC0802402)；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(杰出青年人才A類(lèi))：城市供水管網(wǎng)漏失檢測(cè)與控制技術(shù)研究及應(yīng)用(2016RAYGJ002)

龐鍇鋒(1985-)，男，浙江臺(tái)州人，工程師，從事遠(yuǎn)距離輸水管線(xiàn)工藝設(shè)備管理工作；唐迪(1981-)，男，遼寧莊河人，工程師，從事水利工程管理工作；劉智慧(1993-)，女，山西朔州人，在讀研究生，研究方向水力過(guò)渡過(guò)程分析、市政工程；刁美玲(1989-)，女，黑龍江佳木斯人，工程師，研究方向供水管網(wǎng)水力水質(zhì)建模、漏損控制、水錘分析；高金良(1971-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師，研究方向供水管網(wǎng)水力水質(zhì)建模、漏損控制、水錘分析。

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