某工程采用泵送流式輸水系統(tǒng)水錘運行工況模擬計算分析

孔春艷

(中國電建集團港航建設(shè)有限公司，天津 300000)

0 引 言

全程共計3套泵送流供水系統(tǒng)：取水泵站-凈水廠穩(wěn)壓配水井、凈水廠清水池～市區(qū)管網(wǎng)和原水調(diào)蓄池～工業(yè)園區(qū)。工程示意圖如圖1所示。

計算范圍的選取包括上述3套泵送流式供水系統(tǒng)的沿程輸水管線及相應(yīng)配套泵站、穩(wěn)壓配水井和原水調(diào)蓄池。

1 計算基礎(chǔ)參數(shù)選取

1.1 供水系統(tǒng)的設(shè)計水量

取水泵站～凈水廠穩(wěn)壓配水井設(shè)計水量3.328 m3/s；凈水廠清水池～市區(qū)管網(wǎng)設(shè)計水量2.1 m3/s；原水調(diào)蓄池～工業(yè)園區(qū)設(shè)計水量1.89 m3/s。

1.2 供水系統(tǒng)的水位信息

供水系統(tǒng)的水位信息，見表1。

表1 供水系統(tǒng)水位信息

1.3 管線基礎(chǔ)參數(shù)選取

管線基礎(chǔ)參數(shù)見表2。

表2 管線基本屬性表

1.4 模擬計算時管線拓撲圖

管線拓撲圖，見圖2。

2 穩(wěn)態(tài)工況選取及計算結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)工況的選取

以設(shè)計水量作為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)水錘防護分析基準工況，選取相應(yīng)防護設(shè)備參數(shù)，以70%事故時水量作為校核工況[1]。

最不利工況：取水泵站～凈水廠穩(wěn)壓配水井設(shè)計水量3.328m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，穩(wěn)壓配水井取最高水位126m；凈水廠清水池-市區(qū)管網(wǎng)設(shè)計水量2.1m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市區(qū)管網(wǎng)取最高水位165m；原水調(diào)蓄池-工業(yè)園區(qū)設(shè)計水量1.89m3/s，原水調(diào)蓄池取最低水位126m，工業(yè)園區(qū)取最高水位142m[2]。

校核工況：取水泵站-凈水廠穩(wěn)壓配水井設(shè)計水量2.33m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，穩(wěn)壓配水井取最高水位126m；凈水廠清水池-市區(qū)管網(wǎng)設(shè)計水量1.47m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市區(qū)管網(wǎng)取最高水位165m；原水調(diào)蓄池-工業(yè)園區(qū)設(shè)計水量1.323m3/s，原水調(diào)蓄池取最低水位126m，工業(yè)園區(qū)取最高水位142m。

2.3 穩(wěn)態(tài)計算結(jié)論及分析

表3 管線建議承壓能力

續(xù)表3 管線建議承壓能力

根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，泵送流管線“鋼管設(shè)計內(nèi)水壓力(即承壓)=最大工作壓力(即自由水頭)+0.5MPa”，因此建議泵送流段管。

根據(jù)計算結(jié)果可以看出泵送流管線工作壓力(自由水頭)均小于管線建議承受壓力，因此管線建議承受壓力均能滿足規(guī)范的控制要求。

3 水錘防護運行工況分析

3.1 取水泵站～凈水廠穩(wěn)壓配水井水錘防護模擬

1)事故時無水錘防護時的模擬計算：

以最不利工況(設(shè)計水量3.328m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，凈水廠穩(wěn)壓配水井按最高水位126m計算)該管線進行事故狀態(tài)下的停泵水錘模擬分析，分析可知：在管線末端局部的最大壓力(自由水頭)超出管線耐壓等級，達到臨界的汽化值，因此有可能產(chǎn)生彌合水錘，不能滿足管線安全穩(wěn)定運行的條件，因此為了保證供水安全，消除彌合水錘，增加水錘防護設(shè)施。

2)事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(最不利工況)：

設(shè)置復(fù)合式空氣閥，并且配置其他的水錘防護措施，進行事故狀態(tài)下的停泵水錘防護模擬計算[3]。當水泵出口處設(shè)置兩階段液控止回偏心半球閥時，通過第一階段快速關(guān)閥、第二階段緩慢關(guān)閥來進行水錘防護。根據(jù)多種關(guān)閥方案模擬，比選出最佳關(guān)閥時間：第一個階段快速關(guān)閉閥門20s(關(guān)閉70%開度)，第二個階段慢關(guān)40s(關(guān)閉30%開度)。

分析可知：設(shè)置兩階段液控止回偏心半球閥后，全管線最大壓力(自由水頭)超出管線最大耐壓等級，最小壓力達到汽化臨界值，不能達到水錘的安全防護要求。因此需在此基礎(chǔ)上增加單向調(diào)壓塔等水錘防護設(shè)備，以緩解事故停泵導(dǎo)致的壓力波動，保證管線安全運行。根據(jù)工程特點及工程經(jīng)驗，建議在沿管線的方向，設(shè)置氣壓空氣罐進行水錘防護，具體參數(shù)詳見表4。

表4 水錘防護參數(shù)(取水泵站-凈水廠穩(wěn)壓配水井)

分析可知：事故停泵時泵送流管線在單向調(diào)壓塔防護方案下全線最大壓力、最小壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵未倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范要求，水錘防護效果良好?？梢哉J為該計算數(shù)據(jù)滿足水錘的安全防護要求。

3)事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(工況校核)：

以事故時70%水量(2.33m3/s)對上述水錘防護方案進行校核。分析可知：事故停泵時泵送流管線在單向調(diào)壓塔防護方案下全線最大壓力、最小壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵未倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范要求，校核通過。

3.2 凈水廠清水池～市區(qū)管網(wǎng)水錘防護模擬

3.2.1 事故停泵無水錘防護設(shè)備模擬

以最不利工況(設(shè)計水量2.1m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)水位取最高值165m)對該管線進行事故狀態(tài)下的停泵水錘模擬分析。

分析可知：在管線末端局部的最大壓力(自由水頭)超出管線耐壓等級，近似汽化臨界安全值，不能滿足水錘防護的設(shè)計要求，因此為了保證供水安全，消除彌合水錘，增加水錘防護設(shè)施。

3.2.2 事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(最不利工況)

設(shè)置復(fù)合式空氣閥，并且設(shè)置其他的水錘防護設(shè)備進行全管線事故停泵狀態(tài)時，水錘的防護模擬。當水泵出口處設(shè)置兩階段液控止回偏心半球閥時，通過第一階段快速關(guān)閉以及第二階段緩慢關(guān)閉來進行水錘防護。根據(jù)多種關(guān)閥方案模擬，比選出最佳關(guān)閥時間：第一階段快速關(guān)閉閥門20s(關(guān)閉70%開度)，第二階段慢關(guān)40s(關(guān)閉30%開度)。

分析可知：設(shè)置兩階段液控止回偏心半球閥后，全管線的最大壓力(自由水頭)超出規(guī)定的正壓上限，最小壓力達到最低的臨界汽化值，不滿足水錘的安全防護要求。因此需在此基礎(chǔ)上增加氣壓罐等水錘防護設(shè)備，以緩解事故停泵導(dǎo)致的壓力波動，保證管線安全運行。根據(jù)工程特點及工程經(jīng)驗，建議在凈水廠的水泵出水母管處，設(shè)置相配套的氣壓罐進行水錘的安全防護，具體參數(shù)詳見表5。

表5 水錘防護參數(shù)

分析可知：事故停泵時泵送流管線在氣壓罐防護方案下全線最大壓力、最小壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵未倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范設(shè)計要求，水錘防護效果良好。因此，該計算數(shù)據(jù)滿足水錘規(guī)范要求的安全防護要求。

3.2.3 事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(工況校核)

以事故時70%水量(1.47m3/s)對上述水錘防護方案進行校核。

分析可知：事故停泵時泵送流管線在氣壓罐防護方案下全線最大壓力、最小壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵沒有出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范要求，水錘防護效果良好。因此，該計算數(shù)據(jù)滿足水錘的安全防護要求。

3.2.4 原水調(diào)蓄池～工業(yè)園區(qū)水錘防護模擬

1)事故停泵無水錘防護設(shè)備模擬：

以最不利工況(設(shè)計水量1.89m3/s，原水調(diào)蓄池取最低水位126m，工業(yè)園區(qū)的水位取最高值142m計算)對該管線進行事故狀態(tài)下的停泵水錘模擬分析。

分析可知：全線最大壓力(自由水頭)超出正壓上限，最小壓力達到汽化臨界值，不滿足水錘的安全防護要求。因此需在此基礎(chǔ)上增加氣壓罐等水錘防護設(shè)備，以緩解事故停泵導(dǎo)致的壓力波動，保證管線安全運行。

2)事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(最不利工況)：

設(shè)置空氣閥基礎(chǔ)，并且設(shè)置各種水錘防護設(shè)備進行全線事故停泵水錘防護模擬。當水泵出口處設(shè)置兩階段緩閉止回閥時，通過第一階段快關(guān)和第二階段慢關(guān)來進行水錘防護。根據(jù)多種關(guān)閥方案模擬，比選出最佳關(guān)閥時間：第一階段快關(guān)20s(關(guān)閉80%開度)，第二階段慢關(guān)40s(關(guān)閉20%開度)。

分析可知：設(shè)置兩階段液控止回偏心半球閥后，全線最大壓力(自由水頭)超出正壓上限，最小壓力達到汽化臨界值，不滿足水錘的安全防護要求。因此需在此基礎(chǔ)上增加氣壓罐等水錘防護設(shè)備，以緩解事故停泵導(dǎo)致的壓力波動，保證管線安全運行。根據(jù)工程特點及工程經(jīng)驗，建議在原水泵站的水泵出水母管處，設(shè)置空氣氣壓罐進行水錘防護，具體參數(shù)詳見表6。

表6 水錘防護參數(shù)

分析可知：事故停泵時泵送流管線在氣壓罐防護方案下全線最大壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵沒有出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范要求，水錘防護效果良好。因此，該方案滿足水錘防護要求。

3)事故停泵有水錘防護設(shè)備模擬(工況校核)：

以事故時70%水量(1.323m3/s)對上述水錘防護方案進行校核分析可知：事故停泵時泵送流管線在氣壓罐防護方案下全線最大壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵沒有出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，閥后壓力也滿足規(guī)范要求，水錘防護效果良好。

4 管線運行管理方案建議

取水泵站～凈水廠穩(wěn)壓配水井：水泵出口兩階段液控止回偏心半球閥關(guān)閥時間為：第一階段快關(guān)20s(關(guān)閉70%開度)，第二階段慢關(guān)40s(關(guān)閉30%開度)。

凈水廠清水池～市區(qū)管網(wǎng)：水泵出口兩階段液控止回偏心半球閥關(guān)閥時間為：第一階段快關(guān)20s(關(guān)閉70%開度)，第二階段慢關(guān)40s(關(guān)閉30%開度)。

原水調(diào)蓄池～工業(yè)園區(qū)：水泵出口兩階段液控止回偏心半球閥關(guān)閥時間為：第一階段快關(guān)20s(關(guān)閉80%開度)，第二階段慢關(guān)40s(關(guān)閉20%開度)。