長距離輸水管道防水錘緩沖罐氣體補(bǔ)償技術(shù)研究與應(yīng)用

焦亞龍 徐志斌 杜培楠 李猛

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，人們對水的需求日益增長，為了解決水資源供需矛盾，建設(shè)的長距離輸水工程也越來越多，而伴隨其中的水錘防護(hù)問題也是日益突出。在長距離輸水管線中，尤其是高揚(yáng)程多起伏壓力輸水管道水錘防護(hù)難度最大，發(fā)生水錘事故最多。水錘尤其是斷流彌合水錘，發(fā)生概率頻繁、危害巨大，一旦發(fā)生勢必造成重大人身財(cái)產(chǎn)損失。本文針對沙特凈化水輸水工程中的一種水錘防護(hù)措施-緩沖罐的應(yīng)用進(jìn)行了研究探索，提出了相應(yīng)的技術(shù)，使該系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、有效。

關(guān)鍵詞：長距離輸水管道;高揚(yáng)程多起伏;水錘防護(hù);緩沖罐

1 引言

沙特凈化水輸水工程設(shè)有2個(gè)泵站，管道全長184km，

最大高程155m，全長起伏點(diǎn)較多，產(chǎn)生斷流彌合水錘風(fēng)險(xiǎn)較大。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兩種水錘防護(hù)措施：進(jìn)排氣閥和防水錘緩沖罐。本文對水錘防護(hù)措施的應(yīng)用進(jìn)行分析，并結(jié)合項(xiàng)目緩沖罐特點(diǎn)以及現(xiàn)場存在的問題，開展相關(guān)的研究。

2 防水錘緩沖罐的運(yùn)用

2.1 通用緩沖罐介紹

防水錘緩沖罐是一種十分有效的水錘防護(hù)設(shè)備之一，一般安裝于水泵的出口處，用于保護(hù)水泵出口處以及整個(gè)管線免受水錘壓力波的破壞。當(dāng)突然斷電導(dǎo)致停泵時(shí)，水泵出口處的管道由于流量下降導(dǎo)致壓力下降，緩沖罐內(nèi)初始的氣體壓力大于管道中的液體壓力，緩沖罐中的水被壓入到管道中，以補(bǔ)充管道內(nèi)液體的流量下降，從而緩解水泵出口處的壓力下降，從而起到補(bǔ)水穩(wěn)壓的作用;當(dāng)正壓波達(dá)到水泵出口處時(shí)，管道內(nèi)的壓力大于緩沖罐內(nèi)氣體的壓力，管道內(nèi)的液體由于壓差的作用被壓入到罐體內(nèi)，從而緩解水泵出口處的壓力升高。由此可見，抗水錘緩沖罐的防護(hù)效果不但可以緩解管道中的壓力升高防止過高，而且可以抑制管道中的壓力降低過低。此外，在正常停泵時(shí)，抗水錘緩沖罐同樣對整個(gè)管線起到保護(hù)作用。

圖2-1? ? ?緩沖罐示意圖

2.2 沙特輸水項(xiàng)目防水錘緩沖罐系統(tǒng)

沙特輸水項(xiàng)目防水錘緩沖罐系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)撬和4個(gè)緩沖罐（單罐50m3）組成。該系統(tǒng)主要工作原理為：預(yù)先設(shè)定空壓機(jī)自動啟停壓力和緩沖罐自動排放液位，當(dāng)主管網(wǎng)壓力突然增大時(shí)，管線中水流會瞬移至緩沖罐，隨著緩沖罐液位的增大，與緩沖罐連通的自動充氣閥開啟，系統(tǒng)壓力低于一定值后空壓機(jī)自動啟動進(jìn)行補(bǔ)氣;當(dāng)主管網(wǎng)壓力突然減小時(shí)，緩沖罐水位會流入主管網(wǎng)，隨著緩沖罐液位的降低，與緩沖罐連通的自動排氣閥開啟排氣，最終達(dá)到平衡。

圖2-2? ? 防水擊系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖

3 緩沖罐氣體補(bǔ)償技術(shù)研究與應(yīng)用

為了控制緩沖罐上部氣體體積，達(dá)到發(fā)生水錘時(shí)的緩沖作用，研究人員提出了兩種控制技術(shù)：緩沖罐對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)和非對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)。

3.1 對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)

緩沖罐對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)就是設(shè)置單一的液位值，將緩沖罐保持在這個(gè)值內(nèi)，經(jīng)過核算該值為2.6m;即當(dāng)緩沖罐液位高于2.6m時(shí)，系統(tǒng)自動打開進(jìn)氣閥為緩沖罐補(bǔ)氣，將液位降至2.6m;當(dāng)緩沖罐液位低于2.6m時(shí)，系統(tǒng)自動打開排氣閥放氣，將緩沖罐液位升至2.6m。以此模式運(yùn)行，通過連鎖控制，使緩沖罐液位始終保持在2.6m。

在緩沖罐系統(tǒng)投入運(yùn)行后，保持離心泵運(yùn)行頻率的穩(wěn)定，觀察記錄緩沖罐系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。緩沖罐內(nèi)液位波動較大，不能穩(wěn)定在2.6m。

該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，緩沖罐液位波動大，空氣壓縮機(jī)啟停頻繁，進(jìn)排氣閥頻繁動作，發(fā)生水錘時(shí)，如果排氣閥處于排氣狀態(tài)，巨大的水錘壓力瞬間將罐內(nèi)氣體壓出，緩沖罐內(nèi)氣體減少，起不到相應(yīng)的緩沖作用，影響管道安全運(yùn)行，對稱氣體補(bǔ)償模式不適用于該系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.2 緩沖罐非對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)

研究人員對緩沖罐液位控制模式進(jìn)行優(yōu)化，提出緩沖罐非對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)，將緩沖罐液位控制在一定的區(qū)間內(nèi)，使緩沖罐系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)既能達(dá)到防護(hù)目的，也能防止空壓機(jī)的頻繁啟停。通過建立緩沖罐的相關(guān)計(jì)算模型，利用Hammer+V8i水錘分析軟件，模擬分析事故停泵工況下緩沖罐內(nèi)氣體體積變化，計(jì)算出緩沖罐的最大氣體體積和最小氣體體積，從而推導(dǎo)出緩沖罐內(nèi)最小和最大液位值，以此設(shè)置液位連鎖區(qū)間。液位高于2.63m時(shí)，系統(tǒng)自動啟動壓縮機(jī)、打開進(jìn)氣閥補(bǔ)氣;液位低于2.58m時(shí)，系統(tǒng)停止補(bǔ)氣，使緩沖罐液位始終保持在2.58m～2.63m。該方法是系統(tǒng)壓縮機(jī)啟停頻率降低了80%，增強(qiáng)了防水擊效果，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大優(yōu)于對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)。

4 結(jié)論

本文通過深入研究現(xiàn)有防水錘保護(hù)措施適用性，制定了相應(yīng)的針對性措施，保證防水錘措施發(fā)揮最大效用。非對稱氣體補(bǔ)償技術(shù)，避免閥門頻繁動作和壓縮機(jī)頻繁啟停，增加了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，保證了防水錘緩沖罐的實(shí)際防護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

焦亞龍（1977- ），男，漢族，甘肅天水人，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），專業(yè)：油氣儲運(yùn)，主要從事油氣儲運(yùn)工作。