瞿寧玲

上海威派格智慧水務(wù)股份有限公司 上海 200000

1 工程概況

1.1 工程簡介

A縣供水工程位于西北區(qū)域，以鹽環(huán)定揚(yáng)黃水為供水水源，從大水坑南側(cè)蓄水池取水，通過5.985km的輸水管道輸水至泵站前池，再通過連續(xù)三級加壓泵站揚(yáng)至A縣分水嶺高位蓄水管為區(qū)域自壓供水。本文主要研究A縣一級泵站前池至末端蓄水池的輸水系統(tǒng)。輸水總干管設(shè)計流量為194.03m3/s，輸水系統(tǒng)沿程長度共計11506.37m。該工程主要線路采用壓力供水方式，輸水系統(tǒng)起點(diǎn)與終點(diǎn)高差達(dá)到367m，輸水系統(tǒng)采用球墨鑄鐵管和pe管不均勻交替布置，沿線地勢起伏，管路系統(tǒng)內(nèi)水力條件復(fù)雜。一旦泵組突然發(fā)生斷電事故，整個輸水系統(tǒng)很容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水錘危害，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)仫嬎こ痰墓┧踩?，因此為了保證該供水系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、避免水錘事故危害，保證當(dāng)?shù)赜脩舴判挠盟?，對本輸水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的水錘問題進(jìn)行預(yù)測分析，并確定合理可靠的水錘防護(hù)措施，從而減少經(jīng)濟(jì)損失[1]。

1.2 水池基本資料

A縣一泵站水池進(jìn)水設(shè)計水位為1528.85m，出水設(shè)計水位為1708.45m；二泵站水池進(jìn)水設(shè)計水位為1704.8m，出水設(shè)計水位為1839.35m；三泵站水池進(jìn)水設(shè)計水位為1835.7m，出水設(shè)計水位為1951.81m。

1.3 泵站技術(shù)指標(biāo)

A縣一泵站將水輸送至二泵站，設(shè)計流量為194.0m3/h。泵站內(nèi)共設(shè)2臺機(jī)組，一備一用，泵站出口通往A縣二泵站，總揚(yáng)程為135.49m。A縣二泵站將水輸送至三泵站，泵站內(nèi)共設(shè)2臺機(jī)組，一備一用，泵站出口通往A縣三泵站，總揚(yáng)程為143.75m。A縣三泵站將水輸送至末端蓄水池，泵站內(nèi)共設(shè)2臺機(jī)組，一備一用，泵站出口通往末端蓄水池，總揚(yáng)程為125.27m。

表1 泵站技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)表

2 水錘計算模型

A縣三級串聯(lián)增壓輸水系統(tǒng)由低位水池、泵站、輸水管道和末端高位水池等基本元素組成，依據(jù)工程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建輸水模型。該長距離供水管道管線起伏大，沿線地形落差大，整個管道布置有兩個明顯的高點(diǎn)并且上下游水池之間的高差達(dá)到73m，該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，各節(jié)點(diǎn)的壓力水頭值比較高。因此該長距離高揚(yáng)程的供水系統(tǒng)一旦發(fā)生停泵水錘，后果將會非常嚴(yán)重。

3 停泵水錘計算分析與防護(hù)設(shè)計

3.1 無防護(hù)措施時水錘計算分析

在軟件中真實模擬一級泵站、二級泵站和三級泵站的水泵在正常運(yùn)行5秒后同時發(fā)生斷電事故的場景，瞬態(tài)分析估算了水錘狀態(tài)下管道的壓力將會如何演變。從圖1可以看出，泵站下游-3000m位置和-5300m位置產(chǎn)生了負(fù)壓，最大負(fù)壓值達(dá)到了10m，即0.1MPa，超過了工程安全的一般性要求2m的負(fù)壓限值。一級至二級和二級至三級的爬坡管道上壓力發(fā)生了較大波動，泵升壓較明顯，并且有約20l的氣囊產(chǎn)生，沿線壓力有升高波動，但壓力升高幅度不是太大。結(jié)合上下兩條線上面的小紅線凸起部分消失時刻下，從下面部分看相同管線位置上沒有高壓產(chǎn)生，因此不會發(fā)生彌合水錘。

圖1 無防護(hù)措施下A縣供水管道系統(tǒng)剖面和水頭線圖

圖2 有防護(hù)措施下A縣供水管道系統(tǒng)剖面和水頭線圖

無防護(hù)措施下模擬分析結(jié)果顯示出，事故停泵時管道最大受壓值為0.81MPa，發(fā)生在管道3068m處，超過于此處的管道承壓能力0.48MPa的1.5倍，即本工程管道最大允許壓力水頭即0.72MPa。輸水管線中有多處水錘升壓段，主要指二級泵站前后部分管路、三級泵站前端瞬時壓力較高，達(dá)到管道穩(wěn)定狀態(tài)下壓力的 1.7 —1.9倍左右，超過規(guī)范要求的管道承受的壓力范圍（根據(jù)規(guī)范《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50013-2018》，在長距離輸水設(shè)計中通常安全系數(shù)為工作壓力 1.3～1.5 倍）。這表明：事故停泵后在部分管道極大可能面臨超壓和負(fù)壓危害，為保證安全，必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施[2]。

3.2 水錘防護(hù)組合優(yōu)化設(shè)計

針對長距離、起伏大的輸水系統(tǒng)，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)水錘事故，在設(shè)計過程中，應(yīng)合理選取水錘防護(hù)產(chǎn)品。目前水錘防護(hù)措施主要分為兩大類：一類是防止水錘壓力過高，傳統(tǒng)水錘造成的升壓現(xiàn)象；一類是防止水錘降壓過低及發(fā)生水柱分離。最終采用單一的水錘防護(hù)措施，還是聯(lián)合多種水錘防護(hù)措施綜合防護(hù)，這需要針對具體工況具體分析。本研究分兩階段比選確定出水錘防護(hù)設(shè)備的綜合方案。

3.2.1 液控蝶閥+超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)（階段一）

針對無防護(hù)措施下停泵水錘模擬計算顯示的負(fù)壓和超壓現(xiàn)象，首先采用選擇蝶閥作為調(diào)節(jié)閥時，蝶閥對減小關(guān)閥水錘的效果最好。本輸水工程口徑主要選用DN100的超壓泄壓閥，臨界壓力設(shè)定為水泵的工作水頭的1.12～1.15倍，分別在三臺水泵口各安裝一個超壓泄壓閥，其中蝶閥關(guān)閥方案設(shè)計的不同，對系統(tǒng)的停泵水錘危害的防護(hù)效果也是不同的。本系統(tǒng)中蝶閥關(guān)閉采用60s、70s和80s兩階段關(guān)閉，一階段快關(guān)，二階段慢關(guān)，其中以水泵中水流開始倒流時的時間10s作為快關(guān)時間，剩下慢關(guān)。

設(shè)置超壓泄壓閥+液控蝶閥后：當(dāng)采用60s、70s和80s兩階段關(guān)閥方案后，三種方案均略超出管道所能承受的最大壓力，整條管線在部分管段處出現(xiàn)負(fù)壓，在部分管段出現(xiàn)了汽化和水柱分離現(xiàn)象，其中具體工況參數(shù)見下表2。

A縣輸水液控蝶閥10s快關(guān)70%，60s全關(guān)和10s快關(guān)70%，70s全關(guān)工況下，二級和三級泵站間的管線的負(fù)壓現(xiàn)象沒有得到緩解，反而加劇了；10s快關(guān)70%，80s全關(guān)的工況和10s快關(guān)70%，70s全關(guān)工況下對無防護(hù)措施下泵端管道的水錘升壓前端管段的降低效果差不多，但10s快關(guān)70%，80s全關(guān)的工況比10s快關(guān)70%，70s全關(guān)工況對無防護(hù)措施下管線負(fù)壓現(xiàn)象負(fù)作用更小，更能保護(hù)管道的安全輸水。

考慮到整體超壓和負(fù)壓問題的環(huán)節(jié)效果，本研究選擇80s的兩階段關(guān)閥+超壓泄壓閥的防護(hù)方案，但在安裝兩階段關(guān)閥+超壓泄壓閥防護(hù)后輸水系統(tǒng)仍存在較大負(fù)壓，二級和三級水泵前端仍存在超壓現(xiàn)象，需采取其他水錘防護(hù)措施[3]。

3.2.2 液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐聯(lián)合防護(hù)（階段二）

通過大量試算結(jié)合工程經(jīng)驗，本分析采用空氣罐直徑為300mm，為立式布置的封閉式的氣囊式空氣罐，其中局部水頭損失系數(shù)為1，采用氣體定律模型作為水箱計算模型，水頭損失比率為2.5，連接管直徑為DN300，空氣罐底標(biāo)高為1706.40m。在一級泵站和二級泵站后管道設(shè)置空氣罐后，停泵水錘發(fā)生后，管道沿程最低壓力由-10.3m 提升至-4.8m，但仍不滿足-2m的負(fù)壓限制要求，故需采用更多的工程措施來消除管線中的負(fù)壓。

3.2.3 液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥聯(lián)合防護(hù)（階段三）

在液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐的聯(lián)合防護(hù)方案基礎(chǔ)上增設(shè)管路沿線的模擬三級泵站同時停泵的工況，由于二三級是管中泵，沒有前池進(jìn)行緩沖，在瞬間停泵后，泵前產(chǎn)生了高壓，對于二級泵站，在泵前設(shè)置超壓泄壓閥及空氣罐。來緩解上游端的高壓，在泵后設(shè)置空氣罐及緩閉止回閥，來緩下游端的高壓。對于三級泵站，這里壓力并不太高，同樣可以設(shè)置泄壓閥、空氣罐及緩閉止回閥來進(jìn)行高壓保護(hù)。二級泵站和三級泵站之間的管段產(chǎn)生了負(fù)壓，因為二三級泵站間的管段是爬坡段，關(guān)閥后低壓波造成了負(fù)壓，可以選擇在二、三級泵站間設(shè)置空氣閥或者調(diào)壓井來緩解負(fù)壓，但考慮經(jīng)濟(jì)性及施工條件，一般建議采用空氣閥緩解局部負(fù)壓問題。空氣閥一方面能夠避免形成的空氣囊減弱斷面過流能力;另一方面能夠避免極端工況時發(fā)生具有很強(qiáng)破壞性的斷流彌合水錘現(xiàn)象。

考慮防護(hù)設(shè)施采用空氣閥，空氣閥進(jìn)氣孔徑采用100mm，出氣孔徑采用5mm，依據(jù)規(guī)范分別在輸水道樁號1+050、2+050、2+950、4+030、5+080、6+325、7+250、8+775處安裝一個空氣閥。

采用液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥進(jìn)行停泵水錘防護(hù)后，最大壓力包絡(luò)線和穩(wěn)態(tài)水頭線幾乎完全重合，管道中二級和三級泵端的瞬時最大壓力也在工程規(guī)定的安全范圍內(nèi)，管道的負(fù)壓已經(jīng)完全消除，符合規(guī)范的要求，綜上所示，該聯(lián)合防護(hù)綜合方案能夠保證工程的穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。

4 結(jié)論與建議

a.具有長距離、高揚(yáng)程特點(diǎn)的多級串聯(lián)的輸水工程，相應(yīng)的停泵水錘防護(hù)若采用單一防護(hù)措施效果不佳，需要通過比較優(yōu)選出最佳的水錘防護(hù)方案；

b.聯(lián)合水錘防護(hù)基礎(chǔ)方案中，三種兩階段液控蝶閥工況下，10s快關(guān)70%，80s全關(guān)的方案防護(hù)效果是最好的，但不能完全消除停泵水錘的危害；

c.對于本工程項目，在停泵水錘發(fā)生情況下，采用“液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥”聯(lián)合水錘防護(hù)綜合方案的消除效果最好。