山地城市長距離輸水管道水錘防護(hù)模擬

曾詩 瞿露

摘? 要： 在山地城市有壓流長距離供水系統(tǒng)中，由于地形起伏大，一旦管道壓力急劇變化便會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，而水錘對于管道本身及附屬設(shè)備有著巨大的破壞力。利用Bentley-Hamme軟件模擬計算工程項目中長距離水錘的負(fù)面影響，并通過設(shè)置適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施加以改進(jìn)，有效抑制水錘破壞作用。

關(guān)鍵詞： 長距離輸水;水錘防護(hù);水錘計算;Bentley Hammer

1項目背景

由于渝西水資源配置工程建設(shè)進(jìn)度與璧山新區(qū)水廠建設(shè)的不匹配，嘉陵江干線工程不能及時向璧山片區(qū)供水，目前璧山片區(qū)已出現(xiàn)原水供應(yīng)缺口。按照“渝西水資源配置工程”的設(shè)計理念，可借助東干線工程將原水輸送至西彭水廠，再通過西彭水廠將原水轉(zhuǎn)輸至璧山片區(qū)。需要在西彭水廠內(nèi)新建一座臨時加壓泵站提升原水，以保障璧山片區(qū)原水供應(yīng)。現(xiàn)基于供水管道布置，總長約30km，供水設(shè)計流量1.35m3/s。

2水錘模擬意義

壓力管道系統(tǒng)中，由于泵或水力控制裝置在短時間內(nèi)引起管道內(nèi)流量的急速變化。在水流慣性作用下致使流體壓力相應(yīng)地急劇升高或降低，產(chǎn)生水流沖擊波的現(xiàn)象稱為水錘[1]。壓力過高時造成管道或設(shè)備不同程度破壞;壓力過低時發(fā)生造成管道氣蝕或管道塌癟，且當(dāng)分離水柱再次匯合時，將產(chǎn)生壓力更大的斷流彌合水錘，對管壁造成更大的沖壓力。國內(nèi)外長距離輸水工程中所出現(xiàn)的70%～80%管路破裂均與斷流彌合水錘有關(guān)，因此彌合水錘要比傳統(tǒng)水錘危害嚴(yán)重得多[2-3]。水錘危害性極高，嚴(yán)重威脅著供水系統(tǒng)安全及操作人員的生命安全。因此對可能產(chǎn)生的水錘進(jìn)行科學(xué)的分析，及時制定相應(yīng)水錘防護(hù)策略，具有十分重大的意義。

利用Bentley Hammer軟件建立模型進(jìn)行水錘計算是一種較為有效的模擬分析方法[4-7]，本次研究采用 Bentley Hammer 軟件，對輸水系統(tǒng)進(jìn)行建模及停泵水錘分析，并根據(jù)模擬結(jié)果針對性采取相應(yīng)水錘防護(hù)措施。

3計算模型

3.1泵站參數(shù)

泵站采用1臺1#泵，2臺2#泵，二用一備的方式運(yùn)行，最大運(yùn)行工況為一臺1臺1#泵與1臺2#泵并聯(lián)。

3.2泵站計算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》GB50265-2010有關(guān)規(guī)定

（1）水泵的最高反轉(zhuǎn)速≤1.2倍額定轉(zhuǎn)速，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間不超過120s;

（2）最高壓力不超過水泵出口壓力的1.3～1.5倍;

（3）管道任何部位不出現(xiàn)水柱斷裂。

3.3管道模型

根據(jù)設(shè)計管道資料建模，管道中心標(biāo)高與管道長度關(guān)系如下：

3.4停泵模擬

首先計算無任何防水錘措施時，水泵同時斷電后管道的最大壓力和水泵反轉(zhuǎn)情況。模擬時長共300s，在正常運(yùn)行3s后突然掉電。

經(jīng)過模擬計算，由圖可見管道出現(xiàn)了大面積的負(fù)壓（圖中陰影部分），節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2處空氣/汽化容積是負(fù)壓超過9.79m時管道中水體氣化造成的，這將產(chǎn)生斷流彌合水錘;且管道正壓最大值為216.3m H2O，亦超過管道設(shè)計壓力（1.60Mpa），會出現(xiàn)爆管事故，嚴(yán)重威脅供水安全。因此要采取一定的防水錘措施。

4水錘防護(hù)模擬

4.1水錘防護(hù)設(shè)施

長距離輸水管道受管理維護(hù)影響，應(yīng)盡可能采用較為操作簡單、安拆方便、易于后期管理的措施，一般有以下幾種：

1）緩閉式止回閥

緩閉式止回閥分兩階段進(jìn)行關(guān)閉，第一階段快速關(guān)閉，此時閥體關(guān)閉大部分過流通道，第二階段是緩慢關(guān)閉，此階段關(guān)閉剩余小部分過流通道，使管道不至快速完全關(guān)閉。

通過采用緩閉式止回閥可以在保證止回閥功能的前提下消減水錘產(chǎn)生的危害.對保護(hù)管道及管件都有較明顯的作用。

2）單向調(diào)壓塔

長距離輸水管道沿線地形起伏變化比較大，當(dāng)突然停泵時管線地形較高處易出現(xiàn)負(fù)壓從而導(dǎo)致水柱分離。調(diào)壓塔則常裝設(shè)在管道系統(tǒng)中容易產(chǎn)生負(fù)壓的部位。單向調(diào)壓塔在塔體水室與管道的連接短管上安裝止回閥，止回閥的啟閉由出水管道的壓力控制[8]。當(dāng)主管的壓力下降至低于調(diào)壓塔的水位時，止回閥迅速打開，通過連接短管向主管道補(bǔ)水，防止泵站主管道中壓力降低而產(chǎn)生水柱分離。

3）空氣罐

空氣罐下部裝有流體，頂部裝有加壓氣體;采用柔性可膨脹氣囊控制氣液比例來保持壓力，從而可達(dá)到消減水錘的效果。空氣罐往往布置在水泵出口，可結(jié)合泵房布置來解決其冬季防凍問題。

4.2水錘防護(hù)方案

本次設(shè)計通過新增空氣罐與單向調(diào)壓塔。管道前段主要依靠空氣罐緩解負(fù)壓，后段則主要依靠單向塔緩解負(fù)壓，泄壓閥可以減小空氣罐的體積。經(jīng)過大量試算后得到如下方案：

1）為方便管理空氣罐，在加壓泵出口總管上設(shè)置，總?cè)莘e為 25m3，初始?xì)馑?：7，連接管直徑600mm。

2）在節(jié)點(diǎn)2處設(shè)置一座D=4m的單向調(diào)壓塔，塔內(nèi)初始水位390m，單向塔出水管高程380m，連接管直徑800mm。

3）同時在加壓站水泵出口總管上設(shè)置2個的超壓泄壓閥，直徑300mm，開啟壓力整定為100m，關(guān)閉壓力90m。

4.3水錘防護(hù)模擬結(jié)果

計算增加水錘防護(hù)措施后，水泵同時斷電后管道的最大壓力和水泵反轉(zhuǎn)情況。模擬時長共300s，在正常運(yùn)行3s后突然掉電。

經(jīng)過模擬計算，由特征線可見管道負(fù)壓段大幅減少，滿足高于-2m的控制標(biāo)準(zhǔn);管道正壓最大值為140.1m H2O（低于1.5倍水泵出口最大穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力）;而水泵滿足最高反轉(zhuǎn)速≤1.2倍額定轉(zhuǎn)速，持續(xù)時間不超過120s。

5.結(jié)論

對于山地城市長距離輸水管道系統(tǒng)中地形起伏大，一旦出現(xiàn)水泵突然停電或故障，水流慣性極易產(chǎn)生斷流彌合水錘，對供水管道及設(shè)備造成破壞，嚴(yán)重威脅城市供水安全。利用Bentley-Hammer 軟件計算長距離水錘，參照泵站和輸水管線施工設(shè)計圖，建立符合實(shí)際情況的模型，分析水錘出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn);再設(shè)置適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施，模擬結(jié)果表明防護(hù)該防護(hù)方案可以起到明顯抑制水錘破壞的效果。通過對水錘防護(hù)及工程案例的分析，對水錘研究、長距離輸水管線設(shè)計提供一定參考借鑒。

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作者簡介：曾詩（1995.4-），女，漢族，籍貫：重慶，助理工程師，碩士研究生，研究方向：城鎮(zhèn)水處理。

瞿露（1987.9-），女，漢族，籍貫：重慶，工程師，碩士研究生，研究方向：城鎮(zhèn)水處理。