基于水錘分析的長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)泵站改造研究

刁美玲

(哈爾濱功達(dá)給排水技術(shù)有限公司，哈爾濱 150090)

0 引 言

由于地勢(shì)問(wèn)題，中國(guó)平原城市大部分長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)均采用泵送流供水方式。隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，泵站內(nèi)設(shè)備老化，部分輸水泵站面臨改造的局面。原有輸水系統(tǒng)水力條件發(fā)生變化，將對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。原有水錘防護(hù)設(shè)備無(wú)法應(yīng)對(duì)新的供水格局，水錘防護(hù)方案或?qū)⑹В：斔踩Ｒ虼耍谶M(jìn)行泵站改造可行性分析過(guò)程中，需結(jié)合水錘分析結(jié)果綜合確定改造方案。文章結(jié)合中國(guó)東北地區(qū)某長(zhǎng)距離泵送流輸水系統(tǒng)泵站改造實(shí)例進(jìn)行分析。

1 構(gòu)建水力過(guò)渡過(guò)程模型

在傳統(tǒng)連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程基礎(chǔ)上，加入空氣閥、止回閥、氣壓罐等防護(hù)措施邊界條件，構(gòu)建長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程模型，并采用特征線(xiàn)法[1-3]求解，計(jì)算公式為：

QT=CT-CaHT

(1)

QT=Cn+CaHT

(2)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(3)

Cn=QL2-CaHL2-CfQL2|QL2|

(4)

2 工程實(shí)例

中國(guó)東北地區(qū)某長(zhǎng)距離輸水工程為多供水目標(biāo)的枝狀、復(fù)雜、泵送流輸水系統(tǒng)。改造前，該輸水系統(tǒng)主要由B水廠(chǎng)將水輸送至J加壓泵站，由于B水廠(chǎng)泵組等設(shè)備老化，無(wú)法繼續(xù)承擔(dān)輸水任務(wù)，因此擬將A水廠(chǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，增加供水能力，滿(mǎn)足1.6萬(wàn)m3/d的供水需求。

A水廠(chǎng)供水量1.22萬(wàn)m3/d，1#高位水池需水量0.9萬(wàn)m3/d，水位標(biāo)高為59.8m；C加壓泵站需水量0.7萬(wàn)m3/d，泵站前最低水壓標(biāo)高為40.1m。輸水示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 輸水示意圖

2.1 現(xiàn)狀供水分析

以現(xiàn)有泵站機(jī)組、管線(xiàn)條件下分析現(xiàn)狀供水量：①A廠(chǎng)供水量1.22萬(wàn)m3/d；②J泵站供給1#高位水池0.84萬(wàn)m3/d；③J泵站供給C泵站0.38萬(wàn)m3/d。

分析可知：現(xiàn)狀情況下，1#高位水池和C泵站難以達(dá)到需求流量，因此需要改擴(kuò)建現(xiàn)有泵站，以滿(mǎn)足供水需求。根據(jù)管網(wǎng)拓?fù)浞治觯煞譃?種改擴(kuò)建方案：

1)方案1：改造J泵站，使其滿(mǎn)足1#高位水池和C泵站用水。

2)方案2：取消J泵站，由A水廠(chǎng)泵組直供1#高位水池和C泵站。

事故停泵時(shí)，在現(xiàn)有水錘防護(hù)設(shè)備參數(shù)運(yùn)行下，2種改造方案均使A水廠(chǎng)-J加壓泵站之間的管線(xiàn)負(fù)壓嚴(yán)重，達(dá)到汽化值，不滿(mǎn)足水錘防護(hù)要求，因此需要在現(xiàn)有水錘防護(hù)設(shè)備基礎(chǔ)上，在A水廠(chǎng)水泵出口母管處增加氣壓罐進(jìn)行水錘防護(hù)。方案1為20m3氣壓罐，方案2為10m3氣壓罐。

2.2 方案1(改造J泵站)模擬

A水廠(chǎng)供給J泵站的管線(xiàn)原設(shè)計(jì)輸水量為0.7萬(wàn)m3/d，現(xiàn)為滿(mǎn)足1#高位水池和C泵站用水量，輸水量需提升至1.6萬(wàn)m3/d，管線(xiàn)水頭損失增加，導(dǎo)致J泵站前來(lái)水壓力降低，泵組原設(shè)計(jì)揚(yáng)程不滿(mǎn)足需求，因此需提升J泵站2個(gè)分支泵組揚(yáng)程:

1)A水廠(chǎng)供水量1.6萬(wàn)m3/d，揚(yáng)程39.5m(原設(shè)計(jì)揚(yáng)程滿(mǎn)足要求)。

2)J泵站供給1#高位水池0.9萬(wàn)m3/d，揚(yáng)程58m(原設(shè)計(jì)揚(yáng)程37m，不滿(mǎn)足要求，需提升揚(yáng)程)。

3)J泵站供給C泵站0.7萬(wàn)m3/d，揚(yáng)程45m(原設(shè)計(jì)揚(yáng)程10m，不滿(mǎn)足要求，需提升揚(yáng)程)。

對(duì)該方案下主要的水錘分析結(jié)果，用圖例分析：A水廠(chǎng)-J泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖2；J泵站-C泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖3；J泵站-1#高位水池之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖2 A水廠(chǎng)-J泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖3 J泵站-C泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖4 J泵站-1#高位水池之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

2.3 方案2(取消J泵站)模擬

方案2是擬取消J泵站，由A水廠(chǎng)直供C泵站，中途分水給1#高位水池(分水位置在J泵站處)。該方案下，A水廠(chǎng)供給J泵站時(shí)泵組額定流量滿(mǎn)足需求，但揚(yáng)程需要提高：

A水廠(chǎng)供水量1.6萬(wàn)m3/d，揚(yáng)程88m(原設(shè)計(jì)揚(yáng)程39.5m，不滿(mǎn)足要求，需提升揚(yáng)程)；

對(duì)該方案下主要的水錘分析結(jié)果進(jìn)行圖例分析：A水廠(chǎng)-J泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖5；J泵站-C泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖6；J泵站-1#高位水池之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

圖5 A水廠(chǎng)-J泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖6 J泵站-C泵站之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

圖7 J泵站-1#高位水池之間管線(xiàn)水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)

2.4 方案對(duì)比

2.4.1 改造內(nèi)容對(duì)比

方案1與方案2的改造內(nèi)容對(duì)比，見(jiàn)表1。

2.4.2 方案對(duì)比分析

1)方案1需將J泵站整體進(jìn)行改造，所有泵組均提提升揚(yáng)程，水錘防護(hù)措施相對(duì)方案2較大；日后運(yùn)行多級(jí)泵站串聯(lián)管理難度增加，對(duì)自控要求較高。

2)方案2需改造A水廠(chǎng)供給J泵站的泵組，由于超越J泵站，全線(xiàn)少串聯(lián)一個(gè)泵站，運(yùn)行管理難度較方案一有所降低。該方案由于增加A水廠(chǎng)水泵揚(yáng)程，導(dǎo)致A水廠(chǎng)-J泵站之間的管線(xiàn)日常運(yùn)行壓力基本達(dá)到管線(xiàn)承壓能力，安全量較小。建議該部分管線(xiàn)運(yùn)行前做打壓試驗(yàn)，日后管線(xiàn)改造時(shí)建議提升該段管線(xiàn)承壓等級(jí)，增加安全量。

3)由于本工程屬于多級(jí)泵站串聯(lián)供水，各泵站之間采用吸水壓力箱進(jìn)行壓力傳遞，導(dǎo)致泵站停泵時(shí)會(huì)對(duì)上下游泵站進(jìn)行水錘干擾，泵站串聯(lián)數(shù)量越多，干擾導(dǎo)致的水錘危害發(fā)生概率越大，相對(duì)而言，方案1事故停泵時(shí)水錘危害比方案2嚴(yán)重。

綜上所述：2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，若僅從水錘防護(hù)角度進(jìn)行對(duì)比，則方案2更優(yōu)。實(shí)際操作過(guò)程中還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)施可行性分析及工程投資進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)估。

表1 方案1與方案2改造內(nèi)容對(duì)比表

3 結(jié) 論

對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)泵站改造進(jìn)行可行性分析時(shí)加入水錘分析可有效避免系統(tǒng)水力條件變更后水錘防護(hù)方案失效問(wèn)題，將水錘防護(hù)方案計(jì)算結(jié)果和投資納入改造方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析中，進(jìn)行綜合評(píng)估，保證輸水安全。