長(zhǎng)距離輸水管道水力過(guò)渡過(guò)程中控制指標(biāo)的探討

孫江河，范 征

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

近年來(lái)為適應(yīng)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，改變區(qū)域水資源分布不均的狀況，大量的長(zhǎng)距離輸水工程相繼開(kāi)工建設(shè)，而且工程呈現(xiàn)“長(zhǎng)距離、大流量、高水頭”的特點(diǎn)。由于管線距離長(zhǎng)、地形起伏大，在停泵或管線末端閥門(mén)關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程中管線的壓力會(huì)出現(xiàn)急劇波動(dòng)和交替升降，對(duì)泵站和管道系統(tǒng)的運(yùn)行安全造成危害。有關(guān)規(guī)范對(duì)過(guò)渡過(guò)程中的特性參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，要求超過(guò)某個(gè)指標(biāo)時(shí)必須采取防護(hù)措施以保證工程安全。在實(shí)際工程中，由于對(duì)規(guī)范的理解和判斷不同，造成了工程設(shè)計(jì)中對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生危害的防護(hù)措施有兩種：過(guò)度防護(hù)；防護(hù)不足。兩者對(duì)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了不同的影響。如何理解過(guò)渡過(guò)程中幾個(gè)規(guī)定的控制指標(biāo)，進(jìn)而以經(jīng)濟(jì)的防護(hù)措施保證系統(tǒng)的安全是每一個(gè)工程必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。

1 水錘分析計(jì)算控制指標(biāo)討論

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范GB50265- 2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50013- 2006《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》和CECS193∶2005《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》，總結(jié)出水錘分析計(jì)算涉及到的系統(tǒng)參數(shù)控制指標(biāo)主要有以下三點(diǎn)：泵系統(tǒng)中水泵的反轉(zhuǎn)速度及持續(xù)時(shí)間、輸水系統(tǒng)最高壓力、輸水系統(tǒng)最低壓力。

1.1 水泵反轉(zhuǎn)速度及持續(xù)時(shí)間

GB50265- 2010中9.4.2條指出：“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2min；立式機(jī)組在低于額定轉(zhuǎn)速40%的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2min”。

水泵反轉(zhuǎn)速度實(shí)質(zhì)上對(duì)是電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)速度的要求，在近幾年的泵站工程設(shè)計(jì)中，由于水泵出口控制閥門(mén)基本選擇具有兩階段關(guān)閉規(guī)律的閥門(mén)，水泵的反轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)時(shí)間基本得到了良好的控制。若關(guān)閉規(guī)律無(wú)法使水泵出口最高壓力升高控制在有效范圍內(nèi)，需考慮系統(tǒng)布設(shè)調(diào)壓或泄壓裝置。

1.2 輸水系統(tǒng)允許最高壓力值探討

1.2.1 對(duì)不同壓力的概念認(rèn)識(shí)

水泵出口額定壓力：指水泵出口的工作壓力，一般與泵站設(shè)計(jì)楊程或最大楊程對(duì)應(yīng)的壓力值相對(duì)應(yīng)。GB50265- 2010中9.4.2條要求“最高壓力不應(yīng)超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂”，停泵水錘的最高壓力不應(yīng)超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍是基于系統(tǒng)這一特性并充分考慮了水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求確定的。

管道最大工作壓力：指輸水管道正常工作狀態(tài)下作用在管內(nèi)壁的最大持續(xù)運(yùn)行壓力，不包括水的波動(dòng)壓力。CECS193∶2005中6.1.4條要求“水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過(guò)1.3～1.5倍最大工作壓力”，可以理解為水錘壓力的控制指標(biāo)為恒定流狀態(tài)下運(yùn)行壓力的1.3～1.5倍。

管道最大使用壓力：指給水管道運(yùn)行過(guò)程中作用在管內(nèi)壁上的最大瞬時(shí)工作壓力，一般是指管道發(fā)生水錘時(shí)的最大壓力升高值。CECS193∶2005中4.3.5條要求“輸水管道的最大使用壓力，應(yīng)經(jīng)過(guò)水錘計(jì)算確定”。

管道公稱壓力：指管材在二級(jí)溫度(20℃)時(shí)輸水的工作壓力。公稱壓力是為了設(shè)計(jì)、制造和使用方便規(guī)定的一種名義壓力，也是管道設(shè)計(jì)選型采用的標(biāo)準(zhǔn)壓力。CECS193∶2005中4.3.5條中要求“壓力輸水管道的公稱壓力應(yīng)根據(jù)最大使用壓力確定，其值應(yīng)為最大使用壓力加0.2～0.4MPa安全余量。當(dāng)選用非金屬管材時(shí)，安全余量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)放大。”可見(jiàn)選擇管道的公稱壓力一般應(yīng)大于管道的最大使用壓力。

管道試驗(yàn)壓力：指管道在制造或安裝過(guò)程中進(jìn)行水壓試驗(yàn)的控制壓力。不同管材都有相應(yīng)的制造、安裝規(guī)范，其中均規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)壓力及保壓時(shí)間。應(yīng)根據(jù)不同的管材和對(duì)應(yīng)的規(guī)范確定試驗(yàn)壓力，管道的試驗(yàn)壓力是最高的，一般均大于管道公稱壓力。

1.2.2 工程實(shí)踐中有關(guān)問(wèn)題的討論

(1)合理選擇管道公稱壓力。工程實(shí)踐中部分設(shè)計(jì)人員往往在選擇管道的公稱壓力時(shí)存在如下誤區(qū)。一是公稱壓力選擇偏低，一些項(xiàng)目不進(jìn)行水錘分析計(jì)算直接采用最大工作壓力乘以1.3～1.5系數(shù)的方法確定管道公稱壓力。造成管道公稱壓力選擇偏低，發(fā)生瞬變流狀態(tài)下最大水錘壓力超標(biāo)引發(fā)爆管的事故。二是公稱壓力選擇過(guò)高，一些最大工作壓力超過(guò)100m的高水頭項(xiàng)目在進(jìn)行了水錘分析計(jì)算后采用最大水錘壓力乘以1.3～1.5系數(shù)的方法確定管道公稱壓力，造成管道公稱壓力選擇過(guò)大，投資增加的現(xiàn)象。

(2)管道最大壓力的控制指標(biāo)。工程實(shí)踐中，一般管道最大使用壓力的控制指標(biāo)是按照不超過(guò)1.3～1.5倍最大工作壓力確定的，而管道實(shí)際能夠承受的最大壓力較此值仍有較大的富裕空間。原因是管道制造行業(yè)一般用公稱壓力代表管道的壓力等級(jí)，工程設(shè)計(jì)時(shí)選擇公稱壓力一般是高于管道最大使用壓力的(規(guī)范要求增加0.2～0.4MPa安全余量)，而管道的試驗(yàn)壓力又比管道公稱壓力高許多。根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)規(guī)范，管道選擇公稱壓力時(shí)有兩個(gè)指標(biāo)，一是在管道最大使用壓力的基礎(chǔ)上增加0.2～0.4MPa安全余量(CECS193∶2005明確)，二是GB50013- 2006要求水錘壓力值超過(guò)管道試驗(yàn)壓力值時(shí)，必須采取消除水錘的措施。兩個(gè)指標(biāo)差距較大。在工程實(shí)踐中一般選擇第一種辦法確定管道的公稱壓力。實(shí)踐證明，只要如實(shí)的進(jìn)行了水錘分析計(jì)算，并按規(guī)范通過(guò)保護(hù)措施在限制了最大水錘壓力值的基礎(chǔ)上預(yù)留一部分安全裕度，管道壓力升高造成的爆管事故是可以得到控制的。

(3)管道水錘壓力升高的防護(hù)。管道水錘防護(hù)措施的作用是保護(hù)管道不因承受壓力過(guò)高而導(dǎo)致破壞。工程實(shí)踐中，選擇管道水錘壓力升高的防護(hù)措施應(yīng)與管道的承壓能力協(xié)調(diào)一致，以避免造成管道承壓能力富裕度過(guò)大，防護(hù)過(guò)度、投資增加。同時(shí)，防護(hù)措施設(shè)備需要選擇能夠有充分泄壓作用的設(shè)備。通過(guò)工程實(shí)踐，在常用的防護(hù)裝置和設(shè)備中，調(diào)壓塔是一種簡(jiǎn)單可靠的泄放壓力裝置，但高水頭項(xiàng)目有時(shí)會(huì)增加投資并受地形和地質(zhì)條件限制。采用泄壓閥門(mén)時(shí)一般不建議采用大口徑閥門(mén)，同時(shí)應(yīng)充分考慮閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間，其主要原因是水錘壓力高峰值的到來(lái)速度快、時(shí)間短，閥門(mén)沒(méi)有足夠開(kāi)啟時(shí)間。

1.3 輸水系統(tǒng)允許最低壓力值探討

泵站系統(tǒng)和管道輸水系統(tǒng)中，對(duì)負(fù)壓的控制是極為重要的指標(biāo)。GB50013- 2006中7.1.4條要求“輸水管道系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)保證在各種設(shè)計(jì)工況下，管道不出現(xiàn)負(fù)壓。”即指出不出現(xiàn)負(fù)壓，更不允許出現(xiàn)水柱分裂。在GB50265- 2010附錄的9.4.2條文說(shuō)明中表述為“為了減少輸水系統(tǒng)工程費(fèi)用，確保輸水系統(tǒng)安全，應(yīng)采取措施限制輸水系統(tǒng)負(fù)壓值，當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到2m水柱時(shí)，宜裝設(shè)真空破壞閥。”這意味著允許輸水系統(tǒng)中出現(xiàn)一定的負(fù)壓。

在長(zhǎng)距離管道輸水工程中負(fù)壓的防護(hù)是非常普遍的，現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)規(guī)范中大多都不允許出現(xiàn)負(fù)壓或?qū)⒇?fù)壓控制在2m水柱之內(nèi)。但管道出現(xiàn)多大的負(fù)壓會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生破壞，或者不同材質(zhì)的管道能夠承受多大的負(fù)壓值，在管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)中并沒(méi)有明確的要求。對(duì)于管道制造企業(yè)遵循的標(biāo)準(zhǔn)中，管道的強(qiáng)度和剛度以及管道的壓力試驗(yàn)考慮的基本是壓力升高的承受能力，對(duì)于負(fù)壓破壞缺乏必要的研究和實(shí)驗(yàn)手段。

管道負(fù)壓控制指標(biāo)的高低與防護(hù)措施的多少是有直接關(guān)系的，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道，特別是地形起伏較大的項(xiàng)目，管道負(fù)壓控制標(biāo)準(zhǔn)越高，其相關(guān)的防護(hù)措施越多，投資越大。對(duì)于如何確定管道負(fù)壓的控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行分析。

2 水錘案例計(jì)算及防護(hù)

2.1 工程概況

西北某供水工程管線剖面圖如圖1所示，管線總長(zhǎng)10.1km，管徑DN1400，管材為玻璃鋼夾砂管，管線設(shè)計(jì)流量2.42m3/s，系統(tǒng)靜揚(yáng)程83m。單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量Q=1.22m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=93m，額定轉(zhuǎn)速990r/min，設(shè)計(jì)工況下2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行。

圖1 供水工程管線剖面圖

2.2 事故停泵無(wú)防護(hù)措施工況

2臺(tái)事故停泵無(wú)防護(hù)措施工況系統(tǒng)水力坡度線如圖2所示。管路沿線多處負(fù)壓嚴(yán)重，大部分地區(qū)甚至已產(chǎn)生汽化。

圖2 事故停泵無(wú)防護(hù)措施工況系統(tǒng)水力坡度線

2.3 不同“控制指標(biāo)”下的防護(hù)措施比較

本計(jì)算案例著重對(duì)比不同“輸水系統(tǒng)最低壓力”控制指標(biāo)下不同防護(hù)措施的水錘分析計(jì)算。最低壓力控制指標(biāo)的選定直接影響水錘防護(hù)措施的選取：①若在事故停泵中允許系統(tǒng)出現(xiàn)一定程度的負(fù)壓，則可選擇空氣閥等防護(hù)措施；②若規(guī)定在事故停泵中系統(tǒng)負(fù)壓不能大于值達(dá)到2m水柱，則應(yīng)選擇單(雙)向調(diào)壓塔、空氣罐等防護(hù)措施；③若進(jìn)一步規(guī)定停泵過(guò)程中系統(tǒng)不能出現(xiàn)負(fù)壓，則需增設(shè)空氣閥、調(diào)壓塔等防護(hù)措施。

2.3.1 工程實(shí)際及運(yùn)行情況

在管路沿線共布設(shè)注氣微排閥17處，每處2臺(tái)，規(guī)格為DN150，進(jìn)氣口口徑150mm，排氣口口徑10mm，樁號(hào)為：0+111.71、1+011.71、1+290、1+890、2+844、3+484、3+748、4+360、4+972、5+367.2、5+763.02、6+757.1、7+024.18、7+477.73、8+080、8+680、9+380；設(shè)單向調(diào)壓塔一座，直徑6m，初始水深8m，樁號(hào)為1+011.71；泵后控制閥的關(guān)閥規(guī)律為：0～5s線性關(guān)閉80%、5～35s線性關(guān)閉100%；在泵后控制閥閥后裝設(shè)水機(jī)泄放閥，規(guī)格DN300，設(shè)定整定壓力為115m。

事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3(b)可知，水泵倒流倒轉(zhuǎn)狀況良好，說(shuō)明泵后控制閥的關(guān)閉規(guī)律合理有效。由圖3(c)可知，管線最大壓力為116.2m，出現(xiàn)在泵后閥門(mén)出口處，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最大壓力的1.21倍。由圖3(a)知，管線最小壓力為-5.6m，管路沿線未出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

圖3 事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

根據(jù)實(shí)際工程的水錘防護(hù)措施布置情況，事故停泵工況下的水錘分析計(jì)算結(jié)果中最低壓力值并不符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。而在工程的實(shí)際運(yùn)行中，因運(yùn)行初期的不當(dāng)操作及電源容量不足等原因，致使水泵多次突然失電，事故停泵工況多次發(fā)生。采取上述水錘防護(hù)措施，系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生較嚴(yán)重的水錘破壞事故，如爆管、負(fù)壓破壞等現(xiàn)象。

2.3.2 最低壓力控制在-2m內(nèi)

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算結(jié)果，在上述防護(hù)措施的基礎(chǔ)上增設(shè)3座單向調(diào)壓塔，每座調(diào)壓塔直徑3m，初始液面高度8m，沿線共布設(shè)單向調(diào)壓塔3座；同時(shí)，調(diào)整注氣微排閥位置及數(shù)量，沿線布設(shè)16處注氣微排閥，每處2臺(tái)，規(guī)格為DN150，進(jìn)氣口口徑150mm，排氣口口徑10mm。泵后控制閥的關(guān)閥規(guī)律為：0～5s線性關(guān)閉80%、5～35s線性關(guān)閉100%。在泵后控制閥閥后裝設(shè)水機(jī)泄放閥，規(guī)格DN300，設(shè)定整定壓力為115m。

圖4 事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4(b)可知，水泵倒流倒轉(zhuǎn)狀況良好，說(shuō)明泵后控制閥的關(guān)閉規(guī)律合理有效。由圖4(c)可知，管線最大壓力為123.5m，出現(xiàn)在泵后閥門(mén)出口處，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最大壓力的1.28倍。由圖4(a)知，管線最小壓力為-1.9m，在控制標(biāo)準(zhǔn)-2m以內(nèi)，管路沿線未出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。

2.3.3 系統(tǒng)不允許出現(xiàn)負(fù)壓

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算結(jié)果，在防護(hù)措施的基礎(chǔ)上再增設(shè)3座單項(xiàng)調(diào)壓塔，每座調(diào)壓塔直徑3m，初始液面高度8m，沿線共布設(shè)單向調(diào)壓塔6座；同時(shí)，調(diào)整注氣微排閥位置及數(shù)量，沿線布設(shè)12處注氣微排閥，每處2臺(tái)，規(guī)格為DN150，進(jìn)氣口口徑150mm，排氣口口徑10mm。泵后控制閥的關(guān)閥規(guī)律為：0～5s線性關(guān)閉80%、5～35s線性關(guān)閉100%。在泵后控制閥閥后裝設(shè)水機(jī)泄放閥，規(guī)格DN300，設(shè)定整定壓力為115m。

圖5 事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

事故停泵后水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算結(jié)果圖5所示。由圖5(b)可知，水泵倒流倒轉(zhuǎn)狀況良好，說(shuō)明泵后控制閥的關(guān)閉規(guī)律合理有效。由圖5(c)可知，管線最大壓力為116.8m，出現(xiàn)在泵后閥門(mén)出口處，為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最大壓力的1.22倍。由圖5(a)知，管線最小壓力為-0.5m，負(fù)壓控制范圍接近無(wú)負(fù)壓。經(jīng)多次計(jì)算知，因管線走勢(shì)等原因，管線事故停泵水錘的負(fù)壓控制只能接近于無(wú)負(fù)壓，但并不能完全消除負(fù)壓。

3 結(jié)論

長(zhǎng)距離管道供水工程的水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算和管道防護(hù)方案的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的課題。基于工程實(shí)例，綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，在管道正壓(壓力升高值)和負(fù)壓的控制中，規(guī)范的規(guī)定均是比較保守和偏于安全的。正壓的控制指標(biāo)與管道公稱壓力選擇上還存在不對(duì)等，管道實(shí)驗(yàn)壓力與公稱壓力、最高使用壓力之間存在較大安全系數(shù)等問(wèn)題；對(duì)于負(fù)壓的控制，尚缺乏必要的實(shí)驗(yàn)研究，存在負(fù)壓控制指標(biāo)偏高的問(wèn)題。根據(jù)多年管道輸水工程實(shí)踐的探索可以看出，管道供水系統(tǒng)可以承受一定的負(fù)壓，管道系統(tǒng)控制負(fù)壓的指標(biāo)越高系統(tǒng)防護(hù)成本越高，運(yùn)行管理難度越大。