長距離輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)問題探討

杜坤

（新源縣水利局，新疆 新源 835800）

1 工程概況

伊犁州新源縣東部集中供水給水管道工程（一期）那拉提水廠應(yīng)急備用水源項目位于新源縣東部那拉提鎮(zhèn)，原從烏拉斯臺溝和切特買爾克河取水對那拉提水廠水源進(jìn)行供水，現(xiàn)由于烏拉斯臺溝冬季供水不足，導(dǎo)致那拉提水廠冬季供水不足，故決定從切特買爾克河取水對那拉提水廠進(jìn)行補(bǔ)充供水。此次供水管道工程布置由新建引水渠首、輸水管道、水廠鞏固提升改造、烏拉斯臺渠首改建四部分組成。其中，新建渠首位于切特買爾克河出山口上游1.00 km處，為攔河式引水閘，渠首由泄洪沖砂閘、新建溢流堰及引水閘構(gòu)成；輸水管道從新建渠首引水，設(shè)計流量0.58 m3/s，通過6.30 km 長、供水壓力0.80 MPa 的DN710鋼絲網(wǎng)骨架管接至那拉提水廠進(jìn)水管處。

考慮到該供水管道管線多起伏，相當(dāng)于數(shù)個U 型管連接，泵站中設(shè)置3臺DN300型壓力波動預(yù)止閥，且每臺水泵后方增設(shè)1 臺緩閉式液控止回閥。根據(jù)對該供水管道工程穩(wěn)態(tài)水力的計算與分析，管線在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，各處自由水壓均比承壓能力小，承壓能力滿足管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行要求。

2 無防護(hù)水錘模擬

2.1 系統(tǒng)建模

文中采用PIPE2012:Surge 水錘分析軟件進(jìn)行那拉提水廠應(yīng)急備用水源項目管道運(yùn)行狀況模擬，該軟件輸入數(shù)據(jù)主要為節(jié)點(diǎn)、管段靜態(tài)參數(shù)及相關(guān)水力條件，通過瞬態(tài)精確計算并實(shí)時跟蹤管道水錘運(yùn)動，并結(jié)合防護(hù)措施實(shí)施后的水錘模擬，進(jìn)行水錘防護(hù)分析。

根據(jù)管道靜態(tài)參數(shù)及局部水頭損失，可以得出輸水管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的水力參數(shù)，管道水力坡降取2.65‰，管段內(nèi)水流流速為1.75 m/s。根據(jù)對管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水力包絡(luò)圖的分析，輸水工程所在區(qū)域地形起伏大，局部管段凈水頭高；正常運(yùn)行過程中，管道壓力不高，但是開啟或關(guān)閉管道閥門時，便會因局部高點(diǎn)斷流彌合而引發(fā)水錘以及水壓升高和爆管。

2.2 靜態(tài)水錘

在靜態(tài)運(yùn)行且輸水管道無任何防護(hù)措施時，進(jìn)行輸水管道末端閥門持續(xù)開啟1 s、30 s、60 s、90 s 時水力情況模擬。根據(jù)靜態(tài)情況下水力包絡(luò)圖，當(dāng)末端閥門持續(xù)開啟1 s時，輸水管道全線為負(fù)壓狀態(tài)，正壓水錘和斷流彌合水錘同時存在。而當(dāng)末端閥門持續(xù)開啟30 s、60 s、90 s時，管道內(nèi)負(fù)壓持續(xù)減小，正壓升值也持續(xù)降低。由此可見，末端閥門開啟時間超出90 s 時，才能確保相應(yīng)管段運(yùn)行安全。

2.3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水錘

輸水管道在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，對末端閥門全部關(guān)閉1 s、30 s、60 s、90 s、120 s的情況進(jìn)行水錘模擬。根據(jù)水力包絡(luò)圖，在末端閥門持續(xù)全關(guān)1 s時，管道全線表現(xiàn)為負(fù)壓狀態(tài)，并伴隨嚴(yán)重的斷流彌合水錘，水擊壓力最大值出現(xiàn)在管線末端調(diào)流閥處。隨著末端閥門全關(guān)時間的延長，輸水管道中負(fù)壓持續(xù)減小，正壓水錘也在逐漸緩解；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，輸水管道末端閥門關(guān)閉時間應(yīng)不短于120 s。

3 錘防護(hù)方案比選

基于該長距離輸水工程現(xiàn)有設(shè)備條件，水錘防護(hù)效果不佳，事故停泵后部分管線存在嚴(yán)重負(fù)壓，現(xiàn)有設(shè)備難以滿足水錘防護(hù)方面的要求，必須增設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備。

3.1 方案1：增設(shè)雙向調(diào)壓塔

在原設(shè)計中管線A、B處分別增設(shè)雙向調(diào)壓塔，其中A雙向調(diào)壓塔設(shè)計塔高16 m，直徑3.60 m，管道高程148 mm；B 雙向調(diào)壓塔設(shè)計塔高9.50 m，直徑2.90 m，管道高程146 mm。雙向調(diào)壓塔設(shè)置情況詳見圖1。

圖1 水錘防護(hù)設(shè)備的設(shè)置圖

根據(jù)事故停泵管道壓力計算結(jié)果見圖2，當(dāng)事故出現(xiàn)并引發(fā)停泵后全線水壓力P最大最小值分別為0.92 MPa和-0.04 MPa，負(fù)壓幾乎為零，滿足水錘安全防護(hù)要求。

圖2 增設(shè)雙向調(diào)壓塔后事故停泵管道壓力圖

3.2 方案2：增設(shè)單向調(diào)壓塔

與增設(shè)雙向調(diào)壓塔方案不同的是，該方案下用單向調(diào)壓塔代替A、B 兩處雙向調(diào)壓塔，兩處單向調(diào)壓塔設(shè)計塔高為10 m和8 m，直徑分別為3 m和2.50 m，水深依次為6 m和5 m；同時在A、B 兩處分別增設(shè)1 個DN200 型緩閉式空氣閥。根據(jù)事故停泵管道壓力計算結(jié)果見圖3，發(fā)生水錘事故而停泵后管線水壓力P 最大最小值分別為1.10 MPa 和-0.05 MPa，管線起始端存在較長負(fù)壓段，滿足水錘安全防護(hù)要求。

圖3 增設(shè)單向調(diào)壓塔后事故停泵管道壓力圖

3.3 方案3：增設(shè)真空吸氣閥

與前兩個方案相比，此方案主要用口徑均為DN300 型的真空吸氣閥代替A、B兩處的調(diào)壓塔設(shè)備，同時在真空吸氣閥處均增設(shè)1 個DN200 型緩閉式空氣閥。根據(jù)事故停泵管道壓力計算結(jié)果見圖4，當(dāng)出現(xiàn)水錘事故而引發(fā)停泵時，管線水壓力P最大最小值分別為0.87 MPa 和-0.04 MPa，管線起始端存在較長的負(fù)壓段，滿足水錘安全防護(hù)要求。

圖4 增設(shè)真空吸氣閥后事故停泵管道壓力圖

3.4 方案比選

通過上述對水錘防護(hù)方案設(shè)計及事故停泵管道壓力計算可以看出，方案1水錘防護(hù)效果最好，但水質(zhì)易遭受污染；方案2水錘防護(hù)效果較差，水質(zhì)易遭受污染；方案3水錘防護(hù)效果最佳，且水質(zhì)不易遭受污染；方案1造價最高，其次為方案2，方案3造價較低。從運(yùn)行效果、水質(zhì)保護(hù)及造價方面綜合考慮，該長距離輸水管道應(yīng)采取方案3，即增設(shè)真空吸氣閥的水錘防護(hù)措施。

4 結(jié)語

綜上所述，為保證長距離高起伏輸水管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)將末端閥門開啟及閉合時間控制在90 s 和120 s 以上；在不采取水錘防護(hù)措施時，如果輸水管道閥門因異常而啟閉，則管道內(nèi)必將出現(xiàn)嚴(yán)重的斷流彌合水錘，甚至引發(fā)爆管。就水錘防護(hù)設(shè)備的使用而言，將真空吸氣閥和空氣閥設(shè)置在管線坡峰處，能有效削減斷流彌合水錘發(fā)生的可能，取得較為理想的水錘防護(hù)效果，為長距離輸水管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。