長距離輸水管道的水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

張舒婕

摘 要： 以廈門市《西水東調(diào)原水管道工程》為例，對(duì)該原水管線系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程仿真計(jì)算，分析常用的水錘消除措施，進(jìn)而分析最優(yōu)的水錘防護(hù)方案。

關(guān)鍵詞： 水錘;水錘計(jì)算;分析建模;防護(hù)措施

1 概述

西水東調(diào)原水管道工程設(shè)計(jì)內(nèi)容為規(guī)模25萬m3/d原水提升泵站一座及DN1600原水管道約20km。由于本工程供水系統(tǒng)復(fù)雜，全線長距離有壓供水，水泵的啟動(dòng)和事故停泵及受水廠的閥門動(dòng)作，都會(huì)產(chǎn)生水力瞬變現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致相鄰管路出現(xiàn)非正常供水，重則導(dǎo)致爆管事故，破壞整個(gè)輸水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，需要進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，以對(duì)全系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和危險(xiǎn)工況進(jìn)行預(yù)測，為輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、泵站和各類閥門的運(yùn)行調(diào)節(jié)提供安全保證與科學(xué)準(zhǔn)則。

2 水錘計(jì)算方法

本工程利用Bentley Hammer內(nèi)部水力模型計(jì)算方法，通過各種邊界條件的設(shè)置，模擬水錘波的傳播，分析管道內(nèi)部壓力變化。水錘波通常是指管內(nèi)水壓的快速變化，與管道流量的變化直接相關(guān)，并以聲速（計(jì)入水的可壓縮性和管壁的彈性）在管道內(nèi)傳播。當(dāng)?shù)竭_(dá)管路系統(tǒng)的相關(guān)水力邊界時(shí)，水錘波一部分繼續(xù)向前傳播，一部分則被反射，此類水力邊界主要有管道的聯(lián)接節(jié)點(diǎn)、水泵、閥門、管線盲端以及水錘防護(hù)裝置（各種相關(guān)設(shè)備以及措施）等。

3 水錘分析建模

以取水泵站為起點(diǎn)，水廠為終點(diǎn)，通過建立模型，得到如下管道剖面線以及水力坡降線：

由圖1可以看出，本工程輸水水力條件有以下特征：

（1）管線長，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的供水，沿線無分支分叉;

（2）沿線陸域段沿海邊敷設(shè)，沿線高程相差不大;

（3）管道末端進(jìn)水廠時(shí)，管道有個(gè)陡升的過程，管中心標(biāo)高從8m升至25.1m;

（4）沿線過障礙局部頂管段，沉管過海段管位埋設(shè)較深，從埋管段至頂管或沉管段的接口處管道高程有陡降或陡升。

4 無防護(hù)措施的水泵抽水?dāng)嚯娺^渡過程

該工況為沒有排氣閥且泵房事故停電，所有水泵立即同時(shí)關(guān)停，為系統(tǒng)最不利工況。

圖2中上面的圖示為管線產(chǎn)生氣穴的示意圖;圖2下面的圖示中黑實(shí)線代表管道標(biāo)高;黑虛線是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)管道沿程測壓管水頭線（HGL）;紅線顯示模擬停泵水錘工況中沿程管道每個(gè)點(diǎn)的最大壓力，即最大壓力包絡(luò)線;藍(lán)虛線顯示模擬停泵水錘工況中沿程管道每個(gè)點(diǎn)的最小壓力，即最小壓力包絡(luò)線。

在管道系統(tǒng)中只設(shè)置普通止回閥的時(shí)，從圖2可知，水柱彌合和水柱分離現(xiàn)象非常明顯，整條管線都處在不安全的環(huán)境，部分管段有爆管和吸癟的可能性。

對(duì)于本工程而言，受地形和輸水特征條件的影響，水錘時(shí)沿程管道產(chǎn)生負(fù)壓以及負(fù)壓破壞更為嚴(yán)重。

5 設(shè)置防護(hù)措施的水泵抽水?dāng)嚯娺^渡過程

本工程考慮采取以下防水錘措施：

（1）管道沿線安裝20臺(tái)DN200組合式空氣閥。設(shè)置空氣閥來滿足水錘防護(hù)和管道高效運(yùn)行的要求;

（2）在管線高程劇烈變化處，除了必要的空氣閥排氣外，增設(shè)高吸微排防水錘空氣閥。

圖3說明了在發(fā)生泵站失電時(shí)，泵站以及管線上水錘防護(hù)措施發(fā)揮作用后，顯著地減弱了水錘效應(yīng)，把整個(gè)過程中的壓力波動(dòng)控制在一個(gè)更安全的范圍內(nèi)，使得管道內(nèi)的壓力在短時(shí)間內(nèi)由動(dòng)態(tài)較平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變成靜態(tài)。

沿線合理排氣閥設(shè)置對(duì)負(fù)壓的消除能力十分明顯，全線基本沒有明顯負(fù)壓存在，滿足管線對(duì)負(fù)壓的承受能力。

在有空氣閥保護(hù)措施下，沿線正壓力下降，滿足系統(tǒng)對(duì)水壓的承受能力，只是在管線末端有水壓略增加的情況發(fā)生，但遠(yuǎn)小于管線設(shè)計(jì)工作壓力0.70Mpa。

6 結(jié)語

經(jīng)水錘計(jì)算分析，在無防護(hù)狀態(tài)時(shí)，管道承受的最大正壓力為0.95MPa左右，管道承受的最大負(fù)壓值達(dá)到管材的極限負(fù)壓值。整條管線都處在不安全的環(huán)境，部分管段有爆管和吸癟的可能性。

對(duì)于本工程而言，由于輸水管線沿線高程相差不大，末端進(jìn)水廠時(shí)為陡升爬高，所以正壓力波動(dòng)嚴(yán)重性并不大。但整個(gè)管線均出現(xiàn)較高負(fù)壓力，部分管段有吸癟的可能性，水錘時(shí)沿程管道產(chǎn)生負(fù)壓以及負(fù)壓破壞更為嚴(yán)重，部分節(jié)點(diǎn)排氣閥的設(shè)置合理性至關(guān)重要。

結(jié)合上述情況，本工程采取管道沿線安裝20臺(tái)DN200組合式空氣閥及局部高程劇烈變化處增設(shè)高吸微排防水錘空氣閥的水錘防護(hù)措施。

采取措施后經(jīng)計(jì)算分析，沿線合理設(shè)置排氣閥對(duì)負(fù)壓的消除能力十分明顯，全線基本沒有明顯負(fù)壓存在，滿足管線對(duì)負(fù)壓的承受能力。在有空氣閥保護(hù)措施下，沿線正壓力下降，滿足系統(tǒng)對(duì)水壓的承受能力，只是在管線末端有水壓略增加的情況發(fā)生，但遠(yuǎn)小于管線設(shè)計(jì)工作壓力0.60Mpa。

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