長(zhǎng)距離多級(jí)加壓輸水水錘防護(hù)方案分析

姜 越，高 鳳

(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054)

1 長(zhǎng)距離多級(jí)加壓輸水工程管道壓力特點(diǎn)

目前對(duì)于長(zhǎng)距離、高落差的輸水工程，當(dāng)無(wú)法直接應(yīng)用地形條件進(jìn)行供水時(shí)，采用多級(jí)加壓供水方式，可緩解用單級(jí)加壓供水時(shí)泵站的過(guò)大壓力，使輸水系統(tǒng)更趨于安全。多級(jí)加壓輸水系統(tǒng)的各級(jí)泵站之間相互獨(dú)立，將長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)劃分成若干段短距離輸水管道，因而水錘防護(hù)措施設(shè)置會(huì)相應(yīng)變得簡(jiǎn)單，更有利于水錘防護(hù)。

2 工程實(shí)例介紹

陜西北部某經(jīng)濟(jì)工業(yè)園區(qū)供水工程，設(shè)計(jì)供水水量Q=1 000 m3/h，供水總高差約為420．00 m，采用三級(jí)加壓供水方式。輸水管道工程采用平行敷設(shè)2根DN400的螺旋焊縫鋼管(材質(zhì):Q235-A)，供水距離長(zhǎng)約18．90 km，沿線設(shè)有排氣閥、泄水閥、排泥閥、檢修閥等及其井室。

一級(jí)加壓站，采用深井潛水泵，1用1備。Q=1 000 m3/h，H=90 m;管道流速v=1．50 m/s;管線長(zhǎng)度約2 900 m;供水高差:66．20 m;管道承壓值為2．2 MPa。

二級(jí)加壓站，采用臥式多級(jí)離心泵，4用2備。Q=280 m3/h，H=301 m，管道流速:v=1．50 m/s。2臺(tái)水泵運(yùn)行對(duì)應(yīng)1根管道。管線長(zhǎng)度約7 500 m;供水高差:245．20 m;管道承壓值為3．2 MPa。

三級(jí)加壓站，采用臥式多級(jí)離心泵，4用2備。Q=280 m3/h，H=215 m，管道流速:v=1．50 m/s。2臺(tái)水泵運(yùn)行對(duì)應(yīng)1根管道。管線長(zhǎng)度約8 500 m。供水高差:131 m;管道承壓值為2．6 MPa。

3 水錘防護(hù)方案對(duì)比

針對(duì)長(zhǎng)距離、多級(jí)加壓輸水管道特點(diǎn)，其水錘防護(hù)的主要措施有:(1)在水泵出口處安裝緩閉止回閥，以防止突然停泵事故水錘［1］;(2)在水泵出口安裝緩閉止回閥，結(jié)合正常排氣要求在管道上安裝復(fù)合式排氣閥或者恒速緩沖排氣閥，預(yù)防含氣型斷流彌合水錘;(3)在水泵出口安裝緩閉止回閥，在匯水總管處及管道重要部位安裝超壓泄壓閥或雙向調(diào)壓塔等，以防止緩閉止回閥不能完全消除的管道水錘升壓。

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，為便于對(duì)比研究，下面就水泵出口緩閉止回閥兩階段關(guān)閉:快關(guān)10 s，60°;慢關(guān)110 s，30°這種工況進(jìn)行方案對(duì)比。

3．1 水泵出口安裝緩閉止回閥

在水泵出口安裝緩閉止回閥，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出在此種工況下管道運(yùn)行時(shí)的水錘升壓情況如圖1所示。

圖1 僅在水泵出口安裝緩閉止回閥時(shí)的水錘壓力線Fig．1 Pressure Envelope Curve after Installation Slow Closing Check Valve in the Pump Outlet

由圖1可知僅在水泵出口安裝緩閉止回閥，水錘升壓大，最大水錘升壓超出管道承壓值約450 m(H2O)，且沿線斷流嚴(yán)重，對(duì)于停泵后管道中的斷流空腔再?gòu)浐纤N［2］的防護(hù)效果不理想。

3．2 指定樁號(hào)處安裝復(fù)合式排氣閥

根據(jù)規(guī)范規(guī)定并結(jié)合管路地形條件，在管道中每隔800～1 000 m安裝一個(gè)復(fù)合式排氣閥，在管道地形起伏較大處的高點(diǎn)增設(shè)排氣閥數(shù)量。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出在此種工況下管道運(yùn)行時(shí)的水錘升壓情況如圖2所示。

由圖2可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號(hào)處安裝復(fù)合式排氣閥，部分管道水錘升壓反而增大。不利于管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以考慮將管道復(fù)合式排氣閥的位置更換為恒速緩沖排氣閥。

圖2 安裝復(fù)合式排氣閥時(shí)的水錘壓力線Fig．2 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve

3．3 指定樁號(hào)處安裝恒速緩沖排氣閥

為便于比較復(fù)合式排氣閥與恒速緩沖排氣閥的作用效果，本方案中緩沖排氣閥安裝位置同3．2中復(fù)合式排氣閥安裝位置。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出在此種工況下管道運(yùn)行時(shí)的水錘升壓情況如圖3所示。

圖3 安裝恒速緩沖排氣閥時(shí)的水錘壓力線Fig．3 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve

由圖3可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號(hào)處安裝恒速緩沖排氣閥，較安裝復(fù)合式排氣閥效果好一些，但地形起伏較大處水錘升壓仍然很大，對(duì)管道安全穩(wěn)定運(yùn)行不利。故應(yīng)考慮在管道特殊部位安裝箱式雙向調(diào)壓塔。

3．4 指定樁號(hào)處安裝復(fù)合式排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔

由于3．2中單純安裝復(fù)合式排氣閥不能保證管道安全運(yùn)行，考慮在管道匯水總管處及管道重要部位安裝箱式雙向調(diào)壓塔。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出在此種工況下管道運(yùn)行時(shí)的水錘升壓情況如圖4所示。

圖4 安裝復(fù)合式排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔時(shí)的水錘壓力線Fig．4 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve and Box-Type Two-Way Surge Tank

由圖4可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號(hào)處安裝復(fù)合式排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔，較僅安裝復(fù)合式排氣閥降壓效果明顯提高，幾乎所有管道最大壓力均降至承壓線以下，但部分管道最大壓力過(guò)于接近承壓值。不利于管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3．5 指定樁號(hào)處安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔

為便于對(duì)比說(shuō)明，本方案中箱式雙向調(diào)壓塔位置同3．4中調(diào)壓塔安裝位置。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，得出在此種工況下管道運(yùn)行時(shí)的水錘升壓情況如圖5所示。

圖5 安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔時(shí)的水錘壓力線 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve and Box-type Two-Way Surge Tank

由圖5可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號(hào)處安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調(diào)壓塔，較僅安裝恒速緩沖排氣閥降壓效果好，所有管道最大壓力均降至承壓線以下，管道可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 方案對(duì)比思考

在長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中，有壓管道內(nèi)氣囊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力升高往往類(lèi)似于斷流彌合水錘，其升壓值與氣囊所占管道過(guò)水?dāng)嗝娴拇笮〖皻饽疫\(yùn)動(dòng)與水流的速差有關(guān)。理論計(jì)算表明，氣囊運(yùn)動(dòng)引起的升壓大小不同，可能小到僅幾m水柱，大到數(shù)百m水柱，國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)到較大的斷流水錘升壓為200～400 m水柱。特別的是，氣囊引起的斷流彌合水錘升壓極快，往往在不到1 s(停泵水錘升壓過(guò)程一般為十幾秒～幾分鐘)就迅速升壓到最大值，因而較一般停泵水錘更難防護(hù)。

從理論上講，預(yù)防這種水錘升壓有三種途徑:(1)管道排凈氣體，保證任何狀態(tài)下都不產(chǎn)生氣囊運(yùn)動(dòng)型斷流彌合水錘。(2)用氣壓罐及同樣類(lèi)型的穩(wěn)壓吸壓裝置直接吸納或消滅水錘升壓波。(3)用雙向調(diào)壓塔吸收升壓波。方式(1)可通過(guò)采用性能良好的排氣閥實(shí)現(xiàn)正常排氣，由對(duì)工程實(shí)例的計(jì)算，可以看出恒速緩沖排氣閥的排氣效果優(yōu)于復(fù)合式排氣閥，因此具有恒速緩沖功能的排氣閥具有消減斷流彌合水錘的作用，應(yīng)將其作為最基本的斷流水錘防護(hù)措施。同時(shí)采用箱式雙向調(diào)壓塔和緩閉止回閥等對(duì)多處斷流彌合水錘進(jìn)行防護(hù)，可使此類(lèi)長(zhǎng)距離多級(jí)加壓輸水管道的水錘防護(hù)取得良好效果。

［1］楊玉思，徐艷艷，羨巨智．長(zhǎng)距離高揚(yáng)程多起伏輸水管道水錘防護(hù)的研究［J］．給水排水，2009，35(4):108-111．

［2］金錐，姜乃昌，汪興華，等．停泵水錘及其防護(hù)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．