長距離大管徑平坦地區(qū)輸水管道水錘防護(hù)方案

李彥紅 高風(fēng) 辛玉玲

摘 要：長距離大管徑平坦地區(qū)管道水錘防護(hù)的應(yīng)以管道氣囊振蕩型水錘防護(hù)和斷流彌合水錘為主。以我國東南地區(qū)某縣供水工程為例，分析了長距離大管徑平坦地區(qū)輸水管道水錘防護(hù)方法。研究結(jié)論有望能對(duì)同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞：平坦地區(qū)；水錘防護(hù)；斷流彌合水錘

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198（2015）25-0267-02

1 長距離大管徑平坦地區(qū)輸水管道的氣水兩相流壓力特點(diǎn)

平坦地區(qū)管道在充水和運(yùn)行中可能有六種流態(tài)，層狀流、波狀流、段塞流、氣團(tuán)流、泡沫流、環(huán)狀流。在管道充水的初始階段為層狀流、波狀流。在充水過程中出現(xiàn)泡沫流、氣團(tuán)流以及環(huán)狀流。在管道正常運(yùn)行期間，管道存氣多呈段塞流形態(tài)或以大氣囊形態(tài)。地形平坦地區(qū)的管道中會(huì)間隔出現(xiàn)氣囊，管徑較大時(shí)大氣囊居多。經(jīng)過長期理論和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)：氣囊沿管頂隨水流運(yùn)動(dòng)，易在管道轉(zhuǎn)彎處、凸起、閥門等處產(chǎn)生聚集，并產(chǎn)生壓力振蕩，沖擊供水管道。平坦地區(qū)大管徑管道正常運(yùn)行壓力往往很低。在突然停泵時(shí)，管道極易出現(xiàn)負(fù)壓，尤其是管道末端更易出現(xiàn)負(fù)壓注氣型水柱中斷現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生斷流彌合水錘。因而，長距離大管徑平坦地區(qū)輸水管道水錘防護(hù)的重點(diǎn)是管道氣囊振蕩型水錘防護(hù)和斷流彌合水錘。

2 長距離大管徑平坦地區(qū)輸水管道水錘防護(hù)案例分析

我國東南地區(qū)某縣供水工程，設(shè)計(jì)供水水量Q=20×104m3/d，供水管全長約47.0km，供水凈揚(yáng)程范圍為15.96～24.06m，采用一級(jí)加壓供水方式。取水泵站位于管道頭部，機(jī)組安裝水泵3臺(tái)，2臺(tái)工作1臺(tái)備用，供水量為20×104m3/d，采用水泵單級(jí)雙吸離心泵，配套為710kW的變頻電機(jī)。全程雙管埋地敷設(shè)，管徑2根DN1400，管材全線采用PCCP管，局部段采用鋼管、球墨鑄鐵管，管道進(jìn)口與供水加壓泵站相連。PCCP管糙率系數(shù)一般取值為n=0.011～0.0125。一般PCCP管最小承壓值1.0MPa。鋼管和球墨鑄鐵管的承壓能力高于PCCP管，按最不利條件計(jì)算，全線采用承壓值為1.0MPa。

具體管道縱斷面布置及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力（即水壓線）如圖1所示。

圖1 管道縱斷面布置及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力

從圖中可以看出：此工程管道起伏不大，屬于平坦地區(qū)輸水，為典型的長距離大管徑低揚(yáng)程工程。本文以此工程為例，探討了此類工程的水錘防護(hù)方法。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法對(duì)系統(tǒng)在過渡過程中的特性進(jìn)行研究，提出系統(tǒng)水錘作用引起的非正常運(yùn)行最不利參數(shù)，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施提出安全運(yùn)行時(shí)的水錘消除措施。

為方便比較，以下方案中統(tǒng)一在水泵出口處安裝緩閉止回閥，緩閉止回閥快關(guān)時(shí)間10s、快關(guān)角度60°、全關(guān)時(shí)間120s。

2.1 無任何防護(hù)措施時(shí)的壓力包絡(luò)線

圖2 無任何防護(hù)措施時(shí)的水錘包絡(luò)線

從圖2可以看出不添加任何防護(hù)措施時(shí)，管道升壓很大，最高可達(dá)500mmH2O，氣阻現(xiàn)象非常嚴(yán)重，并伴有全線斷流，爆管可能性很大。需要采取水錘防護(hù)措施保證管道安全。

2.2 在指定樁號(hào)處安裝普通排氣閥的水錘升壓

普通排氣閥也叫復(fù)合式排氣閥，常見的浮球式排氣閥、組合式排氣閥等，按照相關(guān)手冊(cè)規(guī)定并結(jié)合管段縱斷面圖，在全線安裝109處安裝普通排氣閥，其水錘防護(hù)效果見圖3。

圖3 在指定樁號(hào)處安裝普通排氣閥時(shí)的水錘包絡(luò)線

由圖3可知：安裝普通排氣閥其效果比圖2有了明顯的改善，在樁號(hào)1+400～34+400處其壓力將至承壓值以下，排氣效果良好，但是首段和末端的壓力仍然很高，對(duì)管道安全造成隱患，需要進(jìn)一步采取防護(hù)措施。

2.3 在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥時(shí)的水錘升壓

在長距離大管徑平坦地區(qū)輸水水錘防護(hù)方案，由于氣囊的影響，對(duì)排氣閥的要求較高，水錘防護(hù)措施要充分考慮到排氣閥的性能。普通排氣閥一旦出現(xiàn)氣阻，壓力升高很大。它們不具有在管道水氣相條件下連續(xù)大量排氣的功能，故排氣不凈，有可能使管道造成威脅。緩沖排氣閥是一種新型排氣閥，其優(yōu)點(diǎn)是能保持恒速排氣，和普通排氣閥相比，它能保證管道內(nèi)氣體的及時(shí)排出，在排氣結(jié)束時(shí)又有緩閉功能。以下緩沖排氣閥的位置同2.2。

圖4 在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥的水錘包絡(luò)線

由圖4可知：采用緩沖排氣閥之后，在樁號(hào)0～34+400處管段壓力降至承壓值以下，但是其末端的壓力仍然很高，說明僅使用排氣閥不能達(dá)到理想的水錘防護(hù)效果，對(duì)管道安全運(yùn)行存在隱患。需要采取進(jìn)一步的水錘防護(hù)措施來降低管道中的水錘升壓。

2.4 在指定樁號(hào)處加裝箱式雙向調(diào)壓塔的水錘升壓

在指定樁號(hào)處安裝普通排氣閥，排氣閥位置同22，在指定樁號(hào)處安裝箱式雙向調(diào)壓塔的水錘包絡(luò)線見圖5。

圖5 在指定樁號(hào)處加裝箱式雙向調(diào)壓塔的水錘包絡(luò)線

圖5可知：在指定樁號(hào)處安裝箱式雙向調(diào)壓塔后，管道壓力有了大幅度的下降。所有管段的水錘升壓基本都降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯。且無全線斷流，完全滿足管道安全運(yùn)行，可將其作為最佳水錘防護(hù)方案應(yīng)用與此工程。

3 結(jié)論

在長距離大管徑平坦地區(qū)水錘防護(hù)中，考慮到管道排氣及經(jīng)濟(jì)等方面，應(yīng)該優(yōu)先考慮各種排氣閥的應(yīng)用。但是在一些工程中僅用排氣閥的作用是不明顯的。排氣閥必須滿足在任何壓力及任何流態(tài)下管道中均排氣通暢。保證管道在充水后以及以后運(yùn)行中不積存氣體，是保證管道安全運(yùn)行的重要條件。按現(xiàn)行排氣閥結(jié)構(gòu)是達(dá)不到理想效果的，尤其對(duì)大管徑的管道而言，排氣的作用不明顯。這時(shí)可以考慮結(jié)合其他水錘防護(hù)措施。例如空氣罐、超壓泄壓閥、恒壓減壓閥、調(diào)壓塔等。調(diào)壓塔是目前來說防水錘效果最明顯的水錘防護(hù)措施之一。箱式雙向調(diào)壓塔是目前應(yīng)用比較廣泛的一種調(diào)壓塔，是在普通調(diào)壓塔的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，在水錘防護(hù)性能雷同于普通雙向調(diào)壓塔，其優(yōu)點(diǎn)是高度低，安裝簡單，從而大大降低了工程造價(jià)，從而使其廣泛應(yīng)用于管道水錘防護(hù)。

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