高揚(yáng)程小流量供水系統(tǒng)水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

李 鶴

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

烏倫古河供水系統(tǒng)位于新疆維吾爾自治區(qū)富蘊(yùn)縣境內(nèi)，由泵站、輸水管道和末端調(diào)節(jié)水池組成，供水規(guī)模170m3/h，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程338m，屬于典型的高揚(yáng)程、小流量供水系統(tǒng)，輸水管道采用涂塑復(fù)合螺旋焊管，管道總長(zhǎng)32.2km，外徑D325，水泵機(jī)組特性見(jiàn)表1。

表1 水泵機(jī)組主要參數(shù)

2 研究?jī)?nèi)容

(1)針對(duì)烏倫古河供水系統(tǒng)運(yùn)行中的危險(xiǎn)工況(事故突然斷電泵后止回閥拒動(dòng))進(jìn)行模擬，觀察管道各節(jié)點(diǎn)的壓力變化、管道流量變化，以及泵轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)水錘工況下對(duì)管道的危害程度。

(2)針對(duì)水錘分析結(jié)果提出防護(hù)方案，分析空氣閥、泄壓閥、水錘消除閥、水錘消除罐和單向調(diào)壓塔等通用防護(hù)設(shè)備對(duì)輸水管道和泵站的防護(hù)效果。

3 水錘分析模型建立

烏倫古河供水系統(tǒng)使用Pipe2014水錘分析軟件進(jìn)行計(jì)算，該軟件是基于波特性法為理論依據(jù)而研發(fā)的水錘分析軟件。

(1)流速計(jì)算公式：

(1)

式中，Q—流量；D—管道內(nèi)徑。

(2)直接水錘計(jì)算公式(儒科夫斯基公式)：

(2)

式中，ΔH—壓力變化量；c—波速；g—重力加速度；ΔV—流速的變化量。

當(dāng)關(guān)閥時(shí)間t≤2L/c，校核直接水錘影響。

(3)波速計(jì)算公式：

(3)

(4)間接水錘計(jì)算公式：基于波特性法(WCM)的基本偏微分方程，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間t≥2L/c，校核間接水錘影響。

連續(xù)方程

(4)

動(dòng)量方程

(5)

水頭損失計(jì)算公式：

(6)

式中，Q—管道內(nèi)流量；L—管道長(zhǎng)度；C—威廉姆斯系數(shù)；D—管道內(nèi)徑。

彈性模量K=21.9×108N/m2

介質(zhì)密度ρ=998N·s2/m4

管材參數(shù)：

楊氏模量E=20.5×1010N/m2

泊松比μ=0.28

4 最不利工況分析

根據(jù)烏倫古河供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，以瞬態(tài)管流源于管道系統(tǒng)水力擾動(dòng)所產(chǎn)生的壓力波的發(fā)生和傳播這一物理概念為理論基礎(chǔ)，通過(guò)追蹤水錘波的發(fā)生、傳播、反射和干射計(jì)算各節(jié)點(diǎn)不同時(shí)段的瞬態(tài)壓力值。管道發(fā)生水錘的最不利工況應(yīng)是在無(wú)防護(hù)狀態(tài)下水泵突然斷電，泵后止回閥拒動(dòng)，發(fā)生斷電水錘的工況。針對(duì)該工況利用Pipe2014水錘分析軟件計(jì)算并繪制水力包絡(luò)線、最大/最小壓力包絡(luò)線、泵后止回閥處壓力變化線和水泵轉(zhuǎn)速變化線。見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 水力包絡(luò)線

圖2 最大/最小壓力包絡(luò)線

圖3 泵后止回閥處壓力變化線

圖4 水泵轉(zhuǎn)速變化線

根據(jù)計(jì)算，管道最大壓力329.5m，發(fā)生在泵后止回閥處，同時(shí)，在管道樁號(hào)15+000m～32+200m段管道有嚴(yán)重負(fù)壓，水泵最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-3000r/min，且反向轉(zhuǎn)速持續(xù)時(shí)間大于2min，不滿足規(guī)范要求。

5 最不利工況防護(hù)方案選擇

針對(duì)最不利工況下管道壓力大，水泵反向轉(zhuǎn)速大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，目前常采用措施主要有：水錘消除罐+空氣閥；調(diào)壓塔+空氣閥。

5.1 水錘消除罐+空氣閥

根據(jù)供水系統(tǒng)供水規(guī)模，采用1臺(tái)2m3水錘消除罐，根據(jù)規(guī)范要求沿線空氣閥在地形平緩段每隔1km布置1臺(tái)，地形起伏段處在高點(diǎn)處布置一臺(tái)，根據(jù)防護(hù)措施布置，利用Pipe2014水錘分析軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 采用水錘消除罐+空氣閥后泵站止回閥后壓力變化

圖6 采用水錘消除罐+空氣閥后泵站止回閥后水泵轉(zhuǎn)速變化

5.2 調(diào)壓塔+空氣閥

根據(jù)供水系統(tǒng)供水規(guī)模，采用2座單向調(diào)壓塔，調(diào)壓塔直徑2m，高度5m，沿線空氣閥布置與水錘消除罐方案相同，根據(jù)防護(hù)措施布置，利用Pipe2014水錘分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 采用調(diào)壓塔+空氣閥后泵站止回閥后壓力變化

圖8 采用調(diào)壓塔+空氣閥后泵站止回閥后水泵轉(zhuǎn)速變化

5.3 防護(hù)措施分析

在兩種不同措施的防護(hù)下，管道沿線負(fù)壓水錘急劇減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，兩種防護(hù)措施計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種防護(hù)措施計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種措施均能滿足防護(hù)要求，但調(diào)壓塔后期維護(hù)工作量較大，并且由于需要安裝在管道沿線，工程區(qū)所在地冬季氣候寒冷，保溫采暖難度較大，因此，最終采用水錘消除罐+空氣閥的防護(hù)方案。

6 結(jié)語(yǔ)

水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，在高揚(yáng)程供水系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為明顯，烏倫古河供水系統(tǒng)是典型的高揚(yáng)程、小流量供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于波特性法為理論依據(jù)而研發(fā)Pipe2014水錘分析軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為供水系統(tǒng)管材壓力的選擇、空氣閥和水錘消除罐的設(shè)置提供了可靠的理論依據(jù)，目前，烏倫古河供水系統(tǒng)采用推薦的水錘防護(hù)措施，效果顯著，運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生因水錘而產(chǎn)生的破壞。