某高鐵站長距離供水水錘防護(hù)研究

劉存莉,寇殿良

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在長距離供水項目中,水錘的危害非常大,是造成管道爆管事故的主要原因,因此水錘防護(hù)在長距離供水項目中作用極為重要。本文以某高鐵站供水項目為例,采用美國Bentley-hammer軟件對水泵停泵水錘工況、停泵再啟動水泵工況進(jìn)行了模擬分析。Bentley-hammer軟件采用對水錘動態(tài)分析最精確及可靠的特征線法,能精確模擬輸水管道內(nèi)各種瞬態(tài)水力現(xiàn)象。通過運用該軟件對單純采用單向調(diào)壓塔防護(hù)方案、單純采用液壓氣動罐防護(hù)方案以及液壓氣動罐和單向調(diào)壓塔聯(lián)合防護(hù)方案做出方案比選,得出該項目最優(yōu)的水錘防護(hù)方案,以期為同類項目借鑒。

1 項目概況

為保證高鐵站建設(shè)及后期運營用水,同時輻射服務(wù)高鐵站周邊村落、開發(fā)區(qū)的日后用水,擬沿現(xiàn)狀公路新建供水管道及配套泵站,供水量規(guī)模20 000 t。擬建項目內(nèi)地勢總體平坦開闊,沿線主要為荒地、灌木叢,局部經(jīng)過水塘,橫跨河流,交通較為便利,整體上呈西高東低,沿線地形起伏不大,跨越地貌單元單一。

該工程在公路起點處設(shè)置提升泵站(場平標(biāo)高約11.22 m),沿途經(jīng)過兩座山丘,高程分別為67.15 m、64.13 m,終點為高鐵站附近的二次提升泵站(場平標(biāo)高約49.78 m),經(jīng)過消毒后再次加壓,輸送到附近用水點。該項目采用DN500鋼管,管道沿公路敷設(shè),管道縱斷面基本上沿道路縱坡,管線全長約24.1 km。

高鐵站作為一個重要的用水節(jié)點,人流量特別大且用水量高,同時還要對列車進(jìn)行水源補(bǔ)給,因此對供水保證率的要求非常高。本項目作為高鐵站的專門供水保障線路,其供水安全性極為重要。眾所周知,管道爆管現(xiàn)象是供水最容易發(fā)生的事故,而水錘是造成管道爆管的最主要原因,同時,由于本項目管道沿著公路埋設(shè),爆管后會使道路長時間受到水的浸泡,對路基和邊坡會產(chǎn)生不利影響,極易引起道路塌方,影響道路交通甚至造成安全事故。基于上述理由,對本項目水錘的分析及防護(hù)顯得極為重要。

2 水錘及其防護(hù)措施

水錘是指在密閉管道中,由于管道內(nèi)水流速的急劇變化引起管道內(nèi)壓力瞬間增加并引起管道劇烈振動的現(xiàn)象,其產(chǎn)生的瞬時壓強(qiáng)是管道工作壓力的幾十倍甚至達(dá)到數(shù)百倍,對管道、水泵、閥門產(chǎn)生破壞,對管道內(nèi)水質(zhì)造成污染,甚至淹沒泵站。目前常用的水錘防護(hù)設(shè)備有:空氣閥、單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔、液壓氣動罐、水擊預(yù)防閥等。

2.1 空氣閥

空氣閥是水錘防護(hù)措施中最常見的一種,其結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝。管道內(nèi)的壓力和溫度變化時,溶解在水中的氣體會被釋放出來,此時需要設(shè)置空氣閥將其快速及時的排出,避免形成氣囊影響管道的運行效率;當(dāng)泵房突然失電、閥門快速調(diào)節(jié)等工況下,管道內(nèi)水柱拉斷產(chǎn)生負(fù)壓時,此時空氣閥開啟,空氣進(jìn)入管道內(nèi),緩解管道內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓。當(dāng)兩端水柱要彌合時,空氣閥緩慢排氣,預(yù)防水柱快速彌合從而產(chǎn)生水錘。

2.2 雙向調(diào)壓塔

雙向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)比較簡單,雙向調(diào)壓塔與管道相連,連接管上不設(shè)置止回閥,雙向調(diào)壓塔不僅可以向管道系統(tǒng)中補(bǔ)水,還可以通過自身的溢流系統(tǒng)把管道系統(tǒng)中的水排掉。由于雙向調(diào)壓塔中的水位等于該點穩(wěn)態(tài)時的水頭,所以當(dāng)管道壓力下降時,雙向調(diào)壓塔可以迅速向管道中補(bǔ)水,加大管道中的壓強(qiáng),防止管道水柱拉斷分離,在管道中造成負(fù)壓;當(dāng)管道中的壓力升高時,管道中的水通過雙向調(diào)壓塔頂部的溢流堰流出,從而降低管道中的壓力。雙向調(diào)壓塔可有效削減管道中的正負(fù)壓,由于雙向調(diào)壓塔的水位線等于該處的水頭壓力,導(dǎo)致雙向調(diào)壓塔建設(shè)得比較高,因此雙向調(diào)壓塔不適合高水頭管道系統(tǒng)。

2.3 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔主要設(shè)置在管道中容易產(chǎn)生水柱分離的峰點、膝部折點、魚背點等位置[1],對于削減管道內(nèi)的負(fù)壓具有良好的效果。單向調(diào)壓塔與管道的連接管設(shè)置止回閥,水流的方向是單向的,即只允許水流從塔內(nèi)流入管道中。正常情況下,通過補(bǔ)水管向單向調(diào)壓塔內(nèi)充水,當(dāng)水位達(dá)到設(shè)置的水位后,通過浮球閥作用停止注水。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于單向調(diào)壓塔水頭時,單向調(diào)壓塔開始向管道內(nèi)補(bǔ)水,以消除管道內(nèi)的斷流,防止管道出現(xiàn)負(fù)壓以及消減斷流彌合水錘。由于管道中的水不能流入單向調(diào)壓塔,單向調(diào)壓塔的水位不需要超過水力坡度線,容積只需滿足填充由于水柱分離所產(chǎn)生的空腔體積即可,因此單向調(diào)壓塔是比較經(jīng)濟(jì)適用的。

2.4 液壓氣動罐

液壓氣動罐分為隔膜式和氣囊式,目前氣囊式運用的比較多,一般安裝在水泵出口管道上,位置在止回閥或蝶閥后。氣囊式空氣罐在罐體內(nèi)加裝了一個氣囊內(nèi)膽,壓縮氣體位于氣囊和罐體內(nèi)壁之間。液壓氣動罐的防護(hù)原理和雙向調(diào)壓塔相似,通過設(shè)置水的容積和氣體壓力,可有效消除管道內(nèi)的正負(fù)壓,是一種高效的水錘防護(hù)措施。當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力上升時,水進(jìn)入氣囊內(nèi),氣囊和罐體間的氣體被壓縮,緩解管道內(nèi)的壓力上升;當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低,氣囊內(nèi)的水被氣體擠出,補(bǔ)充到管道系統(tǒng)內(nèi),防止管道系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)水柱分離[2],避免水錘出現(xiàn)。液壓氣動罐的防護(hù)效果和范圍與其容積有很大關(guān)系,液壓氣動罐需要配備空氣壓縮機(jī),在后續(xù)維護(hù)管理上,成本稍大。

2.5 水擊預(yù)防閥

水擊預(yù)防閥又稱泄壓保護(hù)閥,通常安裝在管道旁支管處,當(dāng)管道發(fā)生水錘,產(chǎn)生的壓力超過該閥門設(shè)置的安全壓力時,水擊預(yù)防閥開閥泄水并報警,釋放管道中的壓力,保護(hù)管道及其附屬設(shè)施;當(dāng)管道中的壓力恢復(fù)正常時,水擊預(yù)防閥關(guān)閉,恢復(fù)管道正常狀態(tài)。

3 工程模型分析

該工程在起點處的提升泵站采用3臺水泵并聯(lián)(兩用一備),單泵工況127 L/s,揚程124 m,管道沿線埋設(shè)大致為中間高,兩邊低。穩(wěn)態(tài)下的水力坡降線如圖1所示。管線在K11+200和K13+900為兩處高點,停泵工況時水柱會拉斷,極易產(chǎn)生斷流彌合水錘。

圖1 穩(wěn)態(tài)下水力坡度圖

圖2 停泵水錘模擬工況包絡(luò)線圖

目前在進(jìn)行水錘分析時,主要有停泵工況、啟泵工況(重點分析停泵再次啟動工況)、關(guān)閥工況等,其中停泵水錘分析最為常見。相關(guān)設(shè)計規(guī)范對管道產(chǎn)生水錘時要求如下:室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中要求“管道中瞬時最高工作壓力不應(yīng)大于工作壓力的1.3～1.5倍”;泵站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中要求“水泵出口工作閥門后的最高工作壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.5倍”“最低壓力不宜低于-4 m”,并對水泵機(jī)組的反轉(zhuǎn)速度、反轉(zhuǎn)持續(xù)時間做出了相關(guān)要求。

3.1 停泵水錘工況分析

停泵水錘是長距離輸水管道水錘分析中最常見的一種,一般對水泵后設(shè)置普通止回閥和緩閉止回閥分別進(jìn)行分析。(1)當(dāng)水泵出口設(shè)置普通止回閥,在發(fā)生事故停泵時,止回閥可及時關(guān)閉,防止水倒流造成水泵反轉(zhuǎn),從而保護(hù)水泵和電機(jī)的安全;(2)當(dāng)水泵出口設(shè)置緩閉止回閥時,通過水錘模擬分析合理設(shè)置閥門兩階段關(guān)閉過程的時間和速度,盡可能地消除管道中的水錘發(fā)生概率,同時應(yīng)保證水泵反轉(zhuǎn)速度和持續(xù)時間滿足規(guī)范要求。

對泵房突然斷電情況下的停泵水錘工況進(jìn)行模擬,在沒有水錘防護(hù)條件下突然停泵,在保護(hù)泵組和水質(zhì)的前提下,該項目水泵后采用止回閥[3],壓力包絡(luò)線如圖2。在此工況下K11+200和K13+900兩處高點產(chǎn)生氣穴空腔,水柱在這兩個高點拉斷,形成空腔高達(dá)161 m3,水流振蕩彌合后形成彌合水錘。水泵后止回閥位置處的最大正壓達(dá)179 m,已經(jīng)接近規(guī)范允許的管道最大壓力180 m,尚且滿足規(guī)范要求,也已接近規(guī)范的邊緣取值;水泵出口到最高點沿線產(chǎn)生-10 m負(fù)壓,遠(yuǎn)超規(guī)范允許的-4 m負(fù)壓。

3.2 停泵再啟動水錘工況分析

由于突然發(fā)生的事故導(dǎo)致停泵,然后快速再次啟動,由于突然停泵后管道內(nèi)的水柱仍在管道內(nèi)來回振蕩傳遞,此時再次啟動水泵,水柱會在管道內(nèi)發(fā)生沖撞,極易產(chǎn)生比停泵水錘更嚴(yán)重的水錘。對在無水錘防護(hù)措施條件下突然停泵,在最不利時間段(經(jīng)模擬分析停泵2 min后)重啟水泵的工況進(jìn)行模擬,壓力包絡(luò)線圖見圖6。此時產(chǎn)生的水錘比停泵水錘更嚴(yán)重,最大正壓達(dá)到了227 m水頭。

4 水錘防護(hù)措施

分析停泵水錘壓力包絡(luò)圖(圖2),由于泵后止回閥位置處的正負(fù)壓同時存在,正壓尚滿足規(guī)范要求,在該工況下主要消除的是管道內(nèi)的負(fù)壓。在系統(tǒng)中的這個位置可用雙向調(diào)壓塔或液壓氣動罐消除正負(fù)壓,或用單向調(diào)壓塔消除負(fù)壓。由于雙向調(diào)壓塔內(nèi)的水位要達(dá)到穩(wěn)態(tài)水頭線,塔高差不多100 m,所以用雙向調(diào)壓塔經(jīng)濟(jì)上不合適。因此對采用單向調(diào)壓塔和液壓氣動罐防護(hù)做了方案比選:

(1)方案一,液壓氣動罐+單向調(diào)壓塔方案:起點設(shè)置液壓氣動罐,容積10 m3,在K11+200和K13+900兩處高點處分別設(shè)置直徑D=5 m、高度H=5 m和直徑D=5 m、高度H=10 m的單向調(diào)壓塔,壓力包絡(luò)線如圖3所示。該方案基本上消除了負(fù)壓,正壓也控制得很好。

(2)方案二,液壓氣動罐方案:起點提升泵站處設(shè)置液壓氣動罐,容積60 m3,沿線設(shè)置22個空氣閥,壓力包絡(luò)線如圖4所示。該方案最小負(fù)壓控制在-3 m,滿足規(guī)范最低-4 m的要求。

(3)方案三,單向調(diào)壓塔方案:全線共設(shè)置6個單向調(diào)壓塔,直徑D=5 m、高度H=40 m,直徑D=3 m、高度H=30 m,直徑D=3 m、高度H=30 m,直徑D=5 m、高度H=40 m,直徑D=5 m、高度H=20 m,直徑D=5 m、高度H=14 m,壓力包絡(luò)線如圖5所示。該方案基本消除了負(fù)壓,正壓波動比較大,但都在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

從三個方案的壓力包絡(luò)線圖可以看出,液壓氣動罐對削減管道內(nèi)的正負(fù)壓均有比較好的效果,單向調(diào)壓塔對消除管道內(nèi)的負(fù)壓有比較好的效果。方案二中液壓氣動罐占地稍大,后續(xù)運行維護(hù)成本高;方案三中調(diào)壓塔占地較多,額外征地的費用大,造價高;方案一結(jié)合了方案二和方案三,既有效消除了管道內(nèi)的正負(fù)壓,又控制了造價,后續(xù)維護(hù)成本適中,是相對理想的方案。

圖3 停泵水錘工況包絡(luò)線圖(液壓氣動罐+單向調(diào)壓塔)

圖4 停泵水錘工況包絡(luò)線圖(液壓氣動罐)

圖5 停泵水錘工況包絡(luò)線圖(單向調(diào)壓塔)

圖6 停泵再啟動水錘工況包絡(luò)線圖(無防護(hù))

對于停泵再啟動水錘工況,在采用前述液壓氣動罐+單向調(diào)壓塔方案進(jìn)行防護(hù)后,停泵再啟動水錘工況壓力包絡(luò)線圖見圖7。采用該水錘聯(lián)合防護(hù)措施后,基本消除了負(fù)壓,正壓也降到140 m水頭以下,滿足規(guī)范要求。

圖7 停泵再啟動水錘工況圖

5 結(jié)語

(1)高鐵站作為一個重要的用水節(jié)點,其供水保證率的要求非常高,輸水管道一旦出現(xiàn)爆管等事故,將嚴(yán)重影響其正常營運;公路作為輸水管道沿線重要的交通設(shè)施,一旦在公路路基范圍內(nèi)產(chǎn)生爆管等事故,對其交通量、運營安全都產(chǎn)生很大的影響。因此在長距離復(fù)雜的供水項目中,水錘的防護(hù)是十分必要的。

(2)采用多個水錘防護(hù)措施聯(lián)合防護(hù)與采用單一水錘防護(hù)措施相比,水錘防護(hù)效果更有效,可以減小工程初期投資和后期運維成本,具有更好的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)本項目的水錘防護(hù)主要以消除管道內(nèi)的負(fù)壓為主,單向調(diào)壓塔和液壓氣動罐都可以消除管道負(fù)壓,但液壓氣動罐的防護(hù)效果更有效。采用單向調(diào)壓塔和液壓氣動罐聯(lián)合進(jìn)行水錘防護(hù),在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上合理可行。意外停泵后在短時間內(nèi)再次啟動水泵所引起水錘更具有破壞性,通過軟件進(jìn)行模擬,得出最合適的再次啟動水泵時間段,有利于泵站后續(xù)實際運營。