前段陡坡長距離供水工程水錘防護方案優選

龐鍇鋒，唐 迪，劉智慧，刁美玲，高金良

(1.大連市供水有限公司，遼寧 大連 116021；2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，哈爾濱 150090)

前段陡坡長距離供水工程水錘防護方案優選

龐鍇鋒1，唐 迪1，劉智慧2，刁美玲2，高金良2

(1.大連市供水有限公司，遼寧 大連 116021；2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，哈爾濱 150090)

文章結合我國北方地區某長輸管線供水工程實例，針對長距離、高起伏、前段有陡坡的長輸供水系統水錘防護問題，對事故停泵水錘防護效果模擬分析，通過分別調節兩階段緩閉止回閥、調壓塔和氣壓罐等水錘防護設備形成不同水錘防護方案，最終通過技術、經濟性能綜合比選出最優方案。結果表明，在前段有陡坡的長距離供水工程中，以空氣閥為基礎防護設備，在管線中綜合設置兩階段緩閉止回閥和氣壓罐，能夠有效緩解過高和過低的水錘壓力，水錘防護效果最好。

長輸管線；前段陡坡；水錘防護；事故停泵

由于地形限制，我國長距離高起伏供水系統居多，其中最具典型的沿線縱向高程變化形式有“V”型、倒“V”型、“M”型、“W”型、“前段陡坡”型等。一旦發生事故停泵，長距離供水管道中極易產生水錘，尤其是在管道坡峰處壓力變化巨大，嚴重影響供水系統安全穩定地運行[1]。水錘事故輕則使管道爆裂，止回閥的上蓋頂或殼體被打壞大量漏水，供水暫時中斷；重則釀成泵站被淹毀、泵船沉沒等嚴重事故[2]。因此，對停泵水錘進行全面模擬分析，選擇安全經濟的水錘防護措施，在管線中合理設置水錘防護設備可有效保證長距離供水工程運行的安全。

“前段陡坡”型(即供水工程起端處于較低地勢，管線標高平緩，然后短距離內管線標高陡然升高)于河灘、庫區取水工程中常見。文章結合“前段陡坡”型長距離供水工程實例，進行水錘防護方案優選研究，為該類型長距離供水工程水錘防護提供參考。

1 工程簡介

YS工程位于我國北方地區，是一項特色農業供水工程。本工程管線全長22.4 km，設計承壓能力2.0 MPa，為泵送流單管供水系統。泵站位于樁號0-127處，內設3臺離心式水泵，2用1備，單泵流量0.605 m3/s，設計揚程77 m。水泵吸水井水位156.02 m，管線末端水池水位207.45 m。供水管材為球墨鑄鐵管，管徑DN1200。本工程特點是地形起伏大，前段有陡坡，后段起伏小，供水管線距離長，屬于典型的“前段陡坡”型長距離供水系統(見圖1)。

圖1 YS工程管線縱斷面示意圖

2 基礎水力分析

該段管線穩態壓力分布見圖2。

圖2 管線穩態壓力分布圖

全線未設置水錘防護設備，僅靠空氣閥防護時，管線前段地形起伏大，存在陡坡，產生嚴重負壓。水錘防護效果見圖3。由圖可知，最大壓力在樁號174.38處，為104.7 mH2O，低于正壓上限，全線自由水頭均未超出正壓上限，滿足要求；但在管線起端有較長的負壓段，低于負壓下限-8 mH2O，負壓嚴重，甚至達到汽化值-10 mH2O。水錘防護重點是停泵時水泵出口高壓、前段陡坡負壓及管線末端負壓問題。因此現有設備不滿足水錘防護要求，有必要設置水錘防護設備，以保證管線安全行。

圖3 事故停泵水錘壓力包絡線

3 水錘防護方案優選

水錘防護設備眾多，在供水管線上設置水泵出口止回閥、空氣閥、單向調壓塔、氣壓罐以及超壓泄壓閥等設備，是長輸管道水泵機組事故停機水錘沖擊防護的有效措施。其中空氣閥作為一種基礎防護措施，在長距離輸水管線水錘防護中得到廣泛應用。傳統空氣閥在高壓氣體沖擊下或管道排空時閥球被卡住而無法正常排氣，實際工程中常結合采用排氣迅速、排氣量大的三級緩排式空氣閥和復合式空氣閥[3]。

本工程設置空氣閥31處，其中10處三級緩排式空氣閥(在管線坡峰處設置)，21處復合式空氣閥(管線起伏不大處設置)，作為水錘防護基礎措施。

在水錘防護設備中，止回閥是最簡單的防護措施，通過調節關閥時間進行水錘防護，但負壓防護效果較為微弱；單向調壓塔可以解決管線中大部分負壓問題，但是局部坡峰處仍然會出現斷流問題；抗水錘氣壓罐用于消減停泵水錘時連接在水泵出水止回閥后的壓力供水管道上，具有抗水錘性能全面、安全可靠、使用方便、易維護等優點，但工程投資較大。這些水錘防護設備技術成熟，且都有實踐運行經驗，因此文章針對這3種水錘防護設備形成不同的水錘防護方案，進行多方案對比分析研究，優選適宜的水錘防護方案。

3.1 方案一(兩階段緩閉止回閥)

在各水泵出口設置兩階段控制閥，關閥時間第一階段關閉70%用時3 s，第二階段關閉30%用時7 s。水錘防護結果如圖4。全線最大壓力165.7 mH2O，高于正壓上限160 mH2O，最小壓力-10 mH2O，達到汽化值。分析可知，管線前段約4 km，即有陡坡處最大壓力大部分超出正壓上限，最小壓力有一部分遠超負壓下限，甚至達到汽化值。計算結果不滿足水錘防護要求。

3.2 方案二(調壓塔+兩階段緩閉止回閥)

在樁號2+640、4+418.06處設置調壓塔1、2。調壓塔1塔高7 m，直徑4 m，水深5 m；調壓塔2塔高4 m，直徑2 m，水深1.5 m，并在各水泵出口設置兩階段控制閥。水錘防護結果如圖5。最大壓力115.5 mH2O(樁號0+440處)，最小壓力-7 mH2O(樁號3+650處)，在水錘防護要求范圍內。全線最大壓力均<正壓上限，全線負壓均在負壓下限-8m H2O內。分析可知滿足水錘防護要求。

3.3 方案三(氣壓罐+兩階段緩閉止回閥)

在泵站出水母管處設置1個10 m3氣壓罐，充存壓力140 kPa，并在各水泵出口設置兩階段控制閥。水錘防護結果如圖6。最大壓力123.8 mH2O(樁號0-66處)，最小壓力-3.7 mH2O(樁號4+418.06處)，在水錘防護要求范圍內。全線最大壓力均小于正壓上限，全線負壓均在負壓下限-8 mH2O內。分析可知滿足水錘防護要求，且負壓的水錘壓力緩解效果好。

圖4 事故停泵水錘壓力包絡線(方案一)

圖5 事故停泵水錘壓力包絡線(方案二)

圖6 事故停泵水錘壓力包絡線(方案三)

3.4 方案優選

水錘模擬計算結果見表1。方案一在空氣閥基礎上設置兩階段止回閥，防護設備單一，安全性低，最大壓力和最小壓力均超出范圍，且事故停泵時水泵反轉，不滿足防護要求。方案二和方案三綜合設置水錘防護設備，一旦其中一個防護設備拒動，其余設備可緩解一定水錘壓力，安全性高，且都可有效緩解輸水管道中的水錘降壓，水泵轉速及水泵閥后壓力都滿足要求。但方案三防負壓效果最優，同時氣壓罐即可以防負壓，又可以防正壓，抗水錘性能全面，魯棒性較好。

表1 水錘模擬計算結果對比

對3種方案定量分析后，通過技術經濟綜合比較(表2)可知，方案三水錘防護效果好，方便管理，安全性高，造價低，最終被確定為最佳方案。

表2 水錘防護方案優選

4 結 論

對于長距離、前段有陡坡、一次加壓提升的長距離供水系統，結合采用氣壓罐和兩階段緩閉止回閥和空氣閥水錘防護設備，能有效緩解前段有陡坡過低的水錘壓力，水錘防護效果較為理想。實際工程中將不同水錘防護設備互相配合、互相協調進行水錘防護，防止其中一個防護設備拒動造成的水錘危害問題，有效地對水錘進行防護，提高供水系統安全性。

[1]唐迪，刁美玲，王婷婷.超高落差長輸供水工程減壓消能方案優選實例研究[J].黑龍江水利，2015，1(06)：11-13，23.

[2]翟翠婷.高揚程多起伏長距離壓力輸水管道水錘防護特點研究[D].西安：長安大學，2014.

[3]陳立志，張慶坤，王一喬，等.在長距離高揚程輸水管道工程中噴嘴式止回閥水錘防護效果研究[J].珠江水運，2015(01)：58-59.

Water Hammer Protection Scheme Optimization for Long-distance Water Supply Project on Front Steep Slope

PANG Kai-feng1;TANG Di1;LIU Zhi-hui2;DIAO Mei-ling2and GAO Jin-liang2

(1.Dalian Urban Water Supply Limited Company, Dalian 116021, China; 2. Municipal Environmental Engineering Institute Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Combined with a long-distance water conveyance pipeline project about water supply for a northern area in China, the effects of water hammer protection when pump stopping caused by the accident was simulated according to the water hammer protection problems, as example, long distance, huge terrain variation and sheep slope ahead, by regulating respectively the equipment of water hammer protection including the two stage check valve, pressure regulating tower and air pressure tank, the water hammer protection scheme was formed, finally, the optimal water hammer protection scheme was determined based on comprehensive comparison of technical and economic performance. The results show that it will effectively alleviate the high and low water pressure when the air pressure tank and two stage slowly-closing check valve are installed together if the air valve acts as the basic protective equipment, and the effects of water hammer protection is the best in the front long-distance water supply project on the sheep slope.

long-distance water conveyance pipeline;front steep slope; surge protection; pump trip

1007-7596(2017)06-0075-03

2017-05-18

國家重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”重點專項：城市市政管網運行安全保障技術研究(2016YFC0802402)；哈爾濱市應用技術研究與開發項目(杰出青年人才A類)：城市供水管網漏失檢測與控制技術研究及應用(2016RAYGJ002)

龐鍇鋒(1985-)，男，浙江臺州人，工程師，從事遠距離輸水管線工藝設備管理工作；唐迪(1981-)，男，遼寧莊河人，工程師，從事水利工程管理工作；劉智慧(1993-)，女，山西朔州人，在讀研究生，研究方向水力過渡過程分析、市政工程；刁美玲(1989-)，女，黑龍江佳木斯人，工程師，研究方向供水管網水力水質建模、漏損控制、水錘分析；高金良(1971-)，男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，研究方向供水管網水力水質建模、漏損控制、水錘分析。

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