長距離輸水管線負(fù)壓控制規(guī)范要求及防護(hù)措施探討

劉 政，桂 波，李曉一，李 進(jìn)

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100032）

近年來的長距離輸水工程有向“高、大、長”發(fā)展的趨勢(shì)， 即在高揚(yáng)程、 大流量及長距離方面發(fā)展迅速，這主要是因?yàn)槲覈Y源分布嚴(yán)重不均，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市生產(chǎn)生活用水問題更是日益突出。泵站及管線作為輸水工程的主要組成部分， 其安全性、 可靠性已成為衡量大型工程運(yùn)行管理的重要指標(biāo)。由于管線地形起伏和局部高點(diǎn)的存在，在停泵過渡過程中管線局部會(huì)產(chǎn)生液體汽化或水柱分離，從而引起一系列急劇的壓力交替升降， 對(duì)管線的正常運(yùn)行造成危害［1］。 為了保護(hù)管線，就要采取必要的防護(hù)措施，把停泵過渡過程中的壓力降控制在“允許最低壓力值”范圍內(nèi)［2］。

1 允許最低壓力值的討論

所謂“允許最低壓力值”，是指在已經(jīng)設(shè)置有水錘防護(hù)裝置的輸水管線水力過渡過程中， 管線允許出現(xiàn)的最低壓力數(shù)值。 在水錘防護(hù)措施選定時(shí)，“允許最低壓力值” 的確定將直接影響到防護(hù)措施和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、合理性及環(huán)保性。 比如，對(duì)于“補(bǔ)氣穩(wěn)壓”的注氣微排閥，如果“允許最低壓力值”取值偏高，在水錘防護(hù)上雖然安全，但空氣閥的安裝數(shù)目及進(jìn)排氣口徑等勢(shì)必將增加， 這樣就會(huì)造成防護(hù)成本的增加；如果“允許最低壓力值”取值過低，雖然空氣閥的安裝數(shù)目會(huì)進(jìn)一步減少， 但在水錘防護(hù)的安全性上卻要打折扣： 或因真空過大使管道失穩(wěn)被內(nèi)外壓差壓癟， 或因斷裂水柱再彌合水錘壓力過高使管路爆管［3］。 此外，出于對(duì)環(huán)保的考慮，一旦管線出現(xiàn)泄露：管線輸送的流體將會(huì)混入地下水，對(duì)輸送的流體來說是浪費(fèi)，對(duì)地下水來說也有可能造成污染；亦或者地下水被吸入管線，對(duì)輸送的流體造成污染。

由于各地區(qū)的海拔高度不同， 出現(xiàn)水柱分裂的負(fù)壓值是不同的，在計(jì)算上應(yīng)注意修正。 以海拔1000m為例，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為89.4kPa，20°C水的汽化壓力為2.34kPa， 則水的相對(duì)汽化壓力為87.06kPa（-8.8m）。 在工程計(jì)算中，一般采用-8m來表示水的汽化壓力，以便更直觀地說明問題。即當(dāng)管道內(nèi)的壓力達(dá)到-8m時(shí)，水體發(fā)生汽化，可能發(fā)生水柱分裂。顯然，管線的“允許最低壓力值”不應(yīng)低于-8m，而所謂的“允許最低壓力值”是人為地在有關(guān)規(guī)范（程）中明確規(guī)定出來的。

我國現(xiàn)行的SL511—2011《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》指出：“當(dāng)泵站突然停機(jī)或開機(jī)時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不應(yīng)低于0.02MPa，且不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象。 ”可以理解為：輸水系統(tǒng)在任何工況下應(yīng)保證+2m的最小壓力。

CECS193—2005《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》 指出：“避免在局部凸起點(diǎn)管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)受地形條件限制時(shí)，應(yīng)采取防止管道內(nèi)出現(xiàn)水柱拉斷的措施”，“停泵水錘防護(hù)包括：在突然停泵過程中輸水管道出現(xiàn)負(fù)壓的部分， 宜采取哪些消除負(fù)壓措施及其效果計(jì)算”。 同樣GB50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“在各種設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，管道不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓。 ”

泵站過渡過程防護(hù)常用到的GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》明確指出：“當(dāng)事故停泵瞬態(tài)特性參數(shù)不能滿足輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂的要求時(shí)，應(yīng)采取防護(hù)措施”，對(duì)設(shè)置水錘防護(hù)措施后的“允許最低壓力值”未做規(guī)定；但在規(guī)范附錄的《條文說明》有如下說明：“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)壓達(dá)到2m水柱時(shí)，宜裝設(shè)真空破壞閥。 ”［4］可以理解為：當(dāng)管線設(shè)置真空破壞閥等防護(hù)措施時(shí)，停泵過渡過程中的系統(tǒng)最小負(fù)壓不應(yīng)超過2m水柱。

日本農(nóng)林水產(chǎn)省制定的《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：“為了防止水錘對(duì)水泵設(shè)備等的危害，必須采取防止發(fā)生負(fù)壓和抑制壓力上升等的措施， 以確保其安全。”可以理解為：當(dāng)水錘防護(hù)措施發(fā)生作用后，泵管系統(tǒng)在過渡過程中的最低壓力應(yīng)在當(dāng)?shù)卮髿鈮阂陨希聪到y(tǒng)不能有負(fù)壓產(chǎn)生。

前蘇聯(lián)在《水錘防護(hù)指示》中明確指出：“（單向調(diào)壓塔） 主水管的直徑以及塔中水位超過主管路的高度，經(jīng)由下述計(jì)算來選配確定，即當(dāng)水塔供出所需的足夠流量時(shí)， 主管路中的最大負(fù)壓不應(yīng)超過-3～-5m水柱。”可以理解為：出于對(duì)調(diào)壓塔防凍，以及節(jié)約成本方面的考慮，增大“允許最低壓力值”來降低塔高， 故規(guī)定過渡過程中的最低壓力值不應(yīng)超過-3～-5m水柱。

在歐美的工程應(yīng)用中， 沒有明確的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸水管線系統(tǒng)是否允許負(fù)壓或 “允許最低壓力值”， 該壓力完全取決于管道許用應(yīng)力及設(shè)計(jì)強(qiáng)度。美國的《ASME B31.3—2012工藝管道規(guī)范》指出：“管道系統(tǒng)的每個(gè)組件的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于在操作中可能遇到的最大內(nèi)壓或外壓與溫度最低或最高的最嚴(yán)酷組合情況下的壓力。 ”［5］也就是說管道的設(shè)計(jì)外壓允許全真空，即輸水系統(tǒng)允許出現(xiàn)汽化，管道能夠承受-8m的最大負(fù)壓。

通過對(duì)比各國對(duì)于泵管系統(tǒng)在過渡過程中 “允許最低壓力值”的規(guī)定，可以看出不同國家針對(duì)不同國情， 其壓力標(biāo)準(zhǔn)各不相同： 日本為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全，要求在過渡過程中不能產(chǎn)生負(fù)壓；前蘇聯(lián)結(jié)合經(jīng)濟(jì)、管理及氣候考慮，規(guī)定最大負(fù)壓不能超過-3～-5m；歐美對(duì)“允許最低壓力值”沒有明確規(guī)定，按照管線設(shè)計(jì)強(qiáng)度管線可以出現(xiàn)-8m的負(fù)壓。 結(jié)合中國設(shè)計(jì)院的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，建議在大多數(shù)情況下：綜合安全性和經(jīng)濟(jì)型考慮，在設(shè)置水錘防護(hù)措施后，系統(tǒng)在過渡過程中允許出現(xiàn)的最低壓力為-5m。

2 水錘案例計(jì)算及防護(hù)

2.1 工程概況

某工程取水管線縱剖圖如圖1，管線總長207km，管道采用鋼管的雙管輸水布置，單管直徑為DN900，設(shè)計(jì)壓力8.5MPa，設(shè)計(jì)單管流量為0.86m3/s，系統(tǒng)凈揚(yáng)程317m。 泵站采用3臺(tái)Q=1700m3/h、2臺(tái)Q=600m3/h的取水泵和8臺(tái)Q=775m3/h的加壓水泵 （每條管線4臺(tái)）的組合，其中取水泵額定揚(yáng)程為50m，加壓水泵額定揚(yáng)程為620m。為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，壓力最低點(diǎn)壓力不低于15.0m， 在管線末端設(shè)置了減壓閥減壓。取水泵和加壓水泵出口均安裝了止回閥，取水管線末端設(shè)置有調(diào)流閥。

圖1 供水系統(tǒng)管線縱剖面圖

2.2 無防護(hù)措施水錘計(jì)算

圖2為泵站水泵突然斷電或停泵，系統(tǒng)無防護(hù)措施時(shí)，整個(gè)輸水管線的壓力包絡(luò)線。管路沿線多處負(fù)壓達(dá)到8m， 且在管路局部凸高點(diǎn)和急劇上升段產(chǎn)生汽化。

圖2 管線壓力包絡(luò)線

2.3 不同“允許最低壓力值”防護(hù)措施比較

“允許最低壓力值”的選定直接影響水錘防護(hù)措施的選取： 若在停泵過渡過程中允許系統(tǒng)出現(xiàn)一定程度的負(fù)壓，則防護(hù)措施可選擇注氣微排閥等，即當(dāng)管線出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)向系統(tǒng)內(nèi)及時(shí)補(bǔ)入空氣， 以防止負(fù)壓進(jìn)一步擴(kuò)大；若規(guī)定在停泵過渡過程中，泵管系統(tǒng)不能出現(xiàn)負(fù)壓，則防護(hù)措施應(yīng)選擇單（雙）向調(diào)壓塔及空氣罐等， 該類設(shè)備可以在管線壓力降到某一特定值（某一正壓值）時(shí)提前向系統(tǒng)注水（補(bǔ)氣），從而降低泵管系統(tǒng)中流速變化的梯度， 防止系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓； 若進(jìn)一步規(guī)定停泵過程中系統(tǒng)的最小壓力不能小于2m水柱， 則需要增加調(diào)壓塔的高度和數(shù)量。 此外，還可以通過閥門調(diào)節(jié)和控制，以及增大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來對(duì)泵管系統(tǒng)過渡過程的水錘現(xiàn)象進(jìn)行防護(hù)，本文著重對(duì)比不同“允許最低壓力值”時(shí)單向調(diào)壓塔和注氣微排閥兩種防護(hù)措施。

2.3.1 注氣微排閥—關(guān)尾閥

2.3.1.1 允許最低壓力值為-5m

通過在管線可能出現(xiàn)負(fù)壓的位置增設(shè)注氣微排閥， 緩解停泵后的系統(tǒng)負(fù)壓。 在樁號(hào)82+559，86+543，87+575，87+968，93+514，94+209，95+303，106+550，106 +850，107 +147，107 +547，107 +810，108 +336，108 +599，108 +996，111 +813，112 +025，112 +344，127+133，127+450，127+766處裝設(shè)21個(gè)注氣微排閥，閥門進(jìn)氣口徑200mm，排氣口徑5mm。 事故停機(jī)60s后，管線尾部調(diào)流閥開始關(guān)閉，經(jīng)過120s線性完全關(guān)閉。

圖3為事故停泵，取水系統(tǒng)的水力過渡過程計(jì)算結(jié)果：（a）管線壓力包絡(luò)線；（b）加壓水泵流量和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線； （c）加壓水泵出口止回閥流量和壓力隨時(shí)間的變化曲線； （d）壓力最低點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線；（e）尾閥開度和其進(jìn)口壓力隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 事故停泵的水力過渡過程（注氣微排閥—關(guān)尾閥）

由圖（b）、（c）可以看出，由于水泵出口的止回閥在停泵后1.5s關(guān)閉，加壓水泵在停泵過渡過程中未出現(xiàn)倒流和倒轉(zhuǎn)。 由圖（a）、（c）知，管線的最大壓力為732.21m，出現(xiàn)在加壓水泵出口處。由圖（a）、（d）知，管線最小壓力為-3.25m，出現(xiàn)在樁號(hào)106+671處。 管線中的汽化現(xiàn)象已消除，負(fù)壓狀況得到很大改善。

2.3.1.2 允許最低壓力值為-8m

若在泵管系統(tǒng)的過渡過程中允許最低壓力達(dá)到-8m 以內(nèi)， 則可適當(dāng)減少注氣微排閥的數(shù)目，只在管線的部分駝峰位置設(shè)置空氣閥。 在樁號(hào)82+559，87+968，95+303，108+599，111+813，112+344，127+450 處 裝 設(shè)7 個(gè) 注 氣 微 排 閥， 進(jìn) 氣 口 徑200mm，排氣口徑5mm。事故停機(jī)60s后，尾閥開始關(guān)閉，經(jīng)過120s線性完全關(guān)閉。

圖4為事故停泵，系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線，其中管線的最大壓力為732.83m，出現(xiàn)在加壓水泵出口處。 管線最小壓力為-8m，在樁號(hào)106+850附近。

圖4 管線壓力包絡(luò)線

2.3.2 單向調(diào)壓塔—關(guān)尾閥

2.3.2.1 允許最低壓力值為0m

分析3.3.1的計(jì)算結(jié)果， 若要進(jìn)一步控制停泵過程中泵管系統(tǒng)的壓力降，使系統(tǒng)內(nèi)不出現(xiàn)負(fù)壓，可在管線局部高點(diǎn)設(shè)置單向調(diào)壓塔， 即在樁號(hào)82+559，87+060，95+303，107+147，111+175，127+133設(shè)置6個(gè)單向調(diào)壓塔，1#塔直徑3m， 初始液面高6m；2#、4#、6#塔直徑3m，初始液面高10m；3#塔直徑3m，初始液面高8m；5#塔直徑5m，初始液面高10m。 事故停機(jī)60s后，尾閥開始關(guān)閉，經(jīng)過120s線性完全關(guān)閉。

圖5為事故停泵，取水系統(tǒng)的水力過渡過程計(jì)算結(jié)果：（a）管線壓力包絡(luò)線；（b）加壓水泵流量和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線； （c）加壓水泵出口止回閥流量和壓力隨時(shí)間的變化曲線； （d）壓力最低點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線；（e）尾閥開度和進(jìn)口壓力隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 事故停泵的水力過渡過程（單向調(diào)壓塔—關(guān)尾閥）

由圖（b）、（c）可以看出，由于水泵出口的止回閥在停泵后1.5s關(guān)閉，加壓水泵在停泵過渡過程中未出現(xiàn)倒流和倒轉(zhuǎn)。 由圖（a）、（c）知，管線的最大壓力為732.13m，出現(xiàn)在加壓水泵出口處。 由圖（a）、（d）知，管線最小壓力為0.47m，出現(xiàn)在樁號(hào)106+850處，整個(gè)管線中無負(fù)壓。

2.3.2.2 允許最低壓力值為2m

由3.3.2.1的計(jì)算結(jié)果，若要控制停泵過程中泵管系統(tǒng)的最小壓力為2m， 則需要調(diào)整4#調(diào)壓塔的樁號(hào)為106+850，將6#調(diào)壓塔初始液面高度變?yōu)?2m，并在4#和5#調(diào)壓塔之間增加7#調(diào)壓塔。 7#塔樁號(hào)為107+810，直徑3m，初始液面高8m，其他調(diào)壓塔參數(shù)不變。即，在管道沿線設(shè)置7個(gè)單向調(diào)壓塔。 尾閥仍是在事故停機(jī)60s后開始關(guān)閉，經(jīng)過120s線性完全關(guān)閉。

圖6 管線壓力包絡(luò)線

圖6為事故停泵，系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線，其中管線的最大壓力為732.80m，出現(xiàn)在加壓水泵出口處。 管線最小壓力為2.07m，出現(xiàn)在樁號(hào)127+133處。

3 結(jié)語

取水系統(tǒng)泵站發(fā)生事故停泵，當(dāng)無防護(hù)措施時(shí)，管線多處出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。 為有效控制（消除）事故停泵后系統(tǒng)中的負(fù)壓，分別采用了“注氣微排閥” “單向調(diào)壓塔”“止回閥”和“關(guān)尾閥”相結(jié)合的4種防護(hù)方案。

對(duì)于四種防護(hù)方案，均在水泵出口裝設(shè)止回閥；尾閥均在事故停機(jī)60s后開始關(guān)閉，經(jīng)過120s線性完全關(guān)閉。

“注氣微排閥-關(guān)尾閥”1方案中設(shè)置21個(gè)注氣微排閥，當(dāng)停泵發(fā)生時(shí)，管線的最大壓力為732.21m，最小壓力為-3.25m；“注氣微排閥-關(guān)尾閥”2方案中設(shè)置7個(gè)注氣微排閥，當(dāng)停泵發(fā)生時(shí)，管線的最大壓力為732.83m，最小壓力為-8m，管線局部發(fā)生汽化；“單向調(diào)壓塔-關(guān)尾閥”1方案中設(shè)置6個(gè)單向調(diào)壓塔，當(dāng)停泵發(fā)生時(shí)，管線的最大壓力為732.13m，最小壓力為0.16m；“單向調(diào)壓塔-關(guān)尾閥”2方案中設(shè)置7個(gè)單調(diào)壓塔，當(dāng)停泵發(fā)生時(shí)，管線的最大壓力為732.80m，最小壓力為2.07m。

4種防護(hù)方案是根據(jù)不同的“允許最低壓力值”選定的， 為了保證系統(tǒng)在過渡過程中無負(fù)壓，“單向調(diào)壓塔-關(guān)尾閥” 的兩種方案設(shè)置了多個(gè)單向調(diào)壓塔，工程投資量和施工難度大大增加。 此外，對(duì)于我國北方的輸水工程，出于防凍的顧慮，設(shè)置單向調(diào)壓塔的方案也是值得商榷的。 故綜合安全性和經(jīng)濟(jì)型的考慮， 選定泵管系統(tǒng)過渡過程中“允許最低壓力值”為-5m較為合理。