基于水錘分析的長距離輸水系統(tǒng)泵站改造研究

刁美玲

(哈爾濱功達給排水技術(shù)有限公司，哈爾濱 150090)

0 引 言

由于地勢問題，中國平原城市大部分長距離輸水系統(tǒng)均采用泵送流供水方式。隨著運行年限的增長，泵站內(nèi)設(shè)備老化，部分輸水泵站面臨改造的局面。原有輸水系統(tǒng)水力條件發(fā)生變化，將對長距離輸水系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。原有水錘防護設(shè)備無法應(yīng)對新的供水格局，水錘防護方案或?qū)⑹В：斔踩?。因此，在進行泵站改造可行性分析過程中，需結(jié)合水錘分析結(jié)果綜合確定改造方案。文章結(jié)合中國東北地區(qū)某長距離泵送流輸水系統(tǒng)泵站改造實例進行分析。

1 構(gòu)建水力過渡過程模型

在傳統(tǒng)連續(xù)性方程和運動方程基礎(chǔ)上，加入空氣閥、止回閥、氣壓罐等防護措施邊界條件，構(gòu)建長距離輸水系統(tǒng)水力過渡過程模型，并采用特征線法[1-3]求解，計算公式為：

QT=CT-CaHT

(1)

QT=Cn+CaHT

(2)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(3)

Cn=QL2-CaHL2-CfQL2|QL2|

(4)

2 工程實例

中國東北地區(qū)某長距離輸水工程為多供水目標(biāo)的枝狀、復(fù)雜、泵送流輸水系統(tǒng)。改造前，該輸水系統(tǒng)主要由B水廠將水輸送至J加壓泵站，由于B水廠泵組等設(shè)備老化，無法繼續(xù)承擔(dān)輸水任務(wù)，因此擬將A水廠進行升級改造，增加供水能力，滿足1.6萬m3/d的供水需求。

A水廠供水量1.22萬m3/d，1#高位水池需水量0.9萬m3/d，水位標(biāo)高為59.8m；C加壓泵站需水量0.7萬m3/d，泵站前最低水壓標(biāo)高為40.1m。輸水示意圖，見圖1。

圖1 輸水示意圖

2.1 現(xiàn)狀供水分析

以現(xiàn)有泵站機組、管線條件下分析現(xiàn)狀供水量：①A廠供水量1.22萬m3/d；②J泵站供給1#高位水池0.84萬m3/d；③J泵站供給C泵站0.38萬m3/d。

分析可知：現(xiàn)狀情況下，1#高位水池和C泵站難以達到需求流量，因此需要改擴建現(xiàn)有泵站，以滿足供水需求。根據(jù)管網(wǎng)拓撲分析，可分為2種改擴建方案：

1)方案1：改造J泵站，使其滿足1#高位水池和C泵站用水。

2)方案2：取消J泵站，由A水廠泵組直供1#高位水池和C泵站。

事故停泵時，在現(xiàn)有水錘防護設(shè)備參數(shù)運行下，2種改造方案均使A水廠-J加壓泵站之間的管線負壓嚴(yán)重，達到汽化值，不滿足水錘防護要求，因此需要在現(xiàn)有水錘防護設(shè)備基礎(chǔ)上，在A水廠水泵出口母管處增加氣壓罐進行水錘防護。方案1為20m3氣壓罐，方案2為10m3氣壓罐。

2.2 方案1(改造J泵站)模擬

A水廠供給J泵站的管線原設(shè)計輸水量為0.7萬m3/d，現(xiàn)為滿足1#高位水池和C泵站用水量，輸水量需提升至1.6萬m3/d，管線水頭損失增加，導(dǎo)致J泵站前來水壓力降低，泵組原設(shè)計揚程不滿足需求，因此需提升J泵站2個分支泵組揚程:

1)A水廠供水量1.6萬m3/d，揚程39.5m(原設(shè)計揚程滿足要求)。

2)J泵站供給1#高位水池0.9萬m3/d，揚程58m(原設(shè)計揚程37m，不滿足要求，需提升揚程)。

3)J泵站供給C泵站0.7萬m3/d，揚程45m(原設(shè)計揚程10m，不滿足要求，需提升揚程)。

對該方案下主要的水錘分析結(jié)果，用圖例分析：A水廠-J泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖2；J泵站-C泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖3；J泵站-1#高位水池之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖4。

圖2 A水廠-J泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線

圖3 J泵站-C泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線

圖4 J泵站-1#高位水池之間管線水錘壓力包絡(luò)線

2.3 方案2(取消J泵站)模擬

方案2是擬取消J泵站，由A水廠直供C泵站，中途分水給1#高位水池(分水位置在J泵站處)。該方案下，A水廠供給J泵站時泵組額定流量滿足需求，但揚程需要提高：

A水廠供水量1.6萬m3/d，揚程88m(原設(shè)計揚程39.5m，不滿足要求，需提升揚程)；

對該方案下主要的水錘分析結(jié)果進行圖例分析：A水廠-J泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖5；J泵站-C泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖6；J泵站-1#高位水池之間管線水錘壓力包絡(luò)線，見圖7。

圖5 A水廠-J泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線

圖6 J泵站-C泵站之間管線水錘壓力包絡(luò)線

圖7 J泵站-1#高位水池之間管線水錘壓力包絡(luò)線

2.4 方案對比

2.4.1 改造內(nèi)容對比

方案1與方案2的改造內(nèi)容對比，見表1。

2.4.2 方案對比分析

1)方案1需將J泵站整體進行改造，所有泵組均提提升揚程，水錘防護措施相對方案2較大；日后運行多級泵站串聯(lián)管理難度增加，對自控要求較高。

2)方案2需改造A水廠供給J泵站的泵組，由于超越J泵站，全線少串聯(lián)一個泵站，運行管理難度較方案一有所降低。該方案由于增加A水廠水泵揚程，導(dǎo)致A水廠-J泵站之間的管線日常運行壓力基本達到管線承壓能力，安全量較小。建議該部分管線運行前做打壓試驗，日后管線改造時建議提升該段管線承壓等級，增加安全量。

3)由于本工程屬于多級泵站串聯(lián)供水，各泵站之間采用吸水壓力箱進行壓力傳遞，導(dǎo)致泵站停泵時會對上下游泵站進行水錘干擾，泵站串聯(lián)數(shù)量越多，干擾導(dǎo)致的水錘危害發(fā)生概率越大，相對而言，方案1事故停泵時水錘危害比方案2嚴(yán)重。

綜上所述：2種方案各有優(yōu)缺點，若僅從水錘防護角度進行對比，則方案2更優(yōu)。實際操作過程中還應(yīng)結(jié)合工程實施可行性分析及工程投資進行技術(shù)、經(jīng)濟綜合評估。

表1 方案1與方案2改造內(nèi)容對比表

3 結(jié) 論

對長距離輸水系統(tǒng)泵站改造進行可行性分析時加入水錘分析可有效避免系統(tǒng)水力條件變更后水錘防護方案失效問題，將水錘防護方案計算結(jié)果和投資納入改造方案的技術(shù)和經(jīng)濟分析中，進行綜合評估，保證輸水安全。