刘存莉,寇殿良

(1.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;2.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

在长距离供水项目中,水锤的危害非常大,是造成管道爆管事故的主要原因,因此水锤防护在长距离供水项目中作用极为重要。本文以某高铁站供水项目为例,采用美国Bentley-hammer软件对水泵停泵水锤工况、停泵再启动水泵工况进行了模拟分析。Bentley-hammer软件采用对水锤动态分析最精确及可靠的特征线法,能精确模拟输水管道内各种瞬态水力现象。通过运用该软件对单纯采用单向调压塔防护方案、单纯采用液压气动罐防护方案以及液压气动罐和单向调压塔联合防护方案做出方案比选,得出该项目最优的水锤防护方案,以期为同类项目借鉴。

1 项目概况

为保证高铁站建设及后期运营用水,同时辐射服务高铁站周边村落、开发区的日后用水,拟沿现状公路新建供水管道及配套泵站,供水量规模20 000 t。拟建项目内地势总体平坦开阔,沿线主要为荒地、灌木丛,局部经过水塘,横跨河流,交通较为便利,整体上呈西高东低,沿线地形起伏不大,跨越地貌单元单一。

该工程在公路起点处设置提升泵站(场平标高约11.22 m),沿途经过两座山丘,高程分别为67.15 m、64.13 m,终点为高铁站附近的二次提升泵站(场平标高约49.78 m),经过消毒后再次加压,输送到附近用水点。该项目采用DN500钢管,管道沿公路敷设,管道纵断面基本上沿道路纵坡,管线全长约24.1 km。

高铁站作为一个重要的用水节点,人流量特别大且用水量高,同时还要对列车进行水源补给,因此对供水保证率的要求非常高。本项目作为高铁站的专门供水保障线路,其供水安全性极为重要。众所周知,管道爆管现象是供水最容易发生的事故,而水锤是造成管道爆管的最主要原因,同时,由于本项目管道沿着公路埋设,爆管后会使道路长时间受到水的浸泡,对路基和边坡会产生不利影响,极易引起道路塌方,影响道路交通甚至造成安全事故。基于上述理由,对本项目水锤的分析及防护显得极为重要。

2 水锤及其防护措施

水锤是指在密闭管道中,由于管道内水流速的急剧变化引起管道内压力瞬间增加并引起管道剧烈振动的现象,其产生的瞬时压强是管道工作压力的几十倍甚至达到数百倍,对管道、水泵、阀门产生破坏,对管道内水质造成污染,甚至淹没泵站。目前常用的水锤防护设备有:空气阀、单向调压塔、双向调压塔、液压气动罐、水击预防阀等。

2.1 空气阀

空气阀是水锤防护措施中最常见的一种,其结构简单、便于安装。管道内的压力和温度变化时,溶解在水中的气体会被释放出来,此时需要设置空气阀将其快速及时的排出,避免形成气囊影响管道的运行效率;当泵房突然失电、阀门快速调节等工况下,管道内水柱拉断产生负压时,此时空气阀开启,空气进入管道内,缓解管道内产生的负压。当两端水柱要弥合时,空气阀缓慢排气,预防水柱快速弥合从而产生水锤。

2.2 双向调压塔

双向调压塔的结构比较简单,双向调压塔与管道相连,连接管上不设置止回阀,双向调压塔不仅可以向管道系统中补水,还可以通过自身的溢流系统把管道系统中的水排掉。由于双向调压塔中的水位等于该点稳态时的水头,所以当管道压力下降时,双向调压塔可以迅速向管道中补水,加大管道中的压强,防止管道水柱拉断分离,在管道中造成负压;当管道中的压力升高时,管道中的水通过双向调压塔顶部的溢流堰流出,从而降低管道中的压力。双向调压塔可有效削减管道中的正负压,由于双向调压塔的水位线等于该处的水头压力,导致双向调压塔建设得比较高,因此双向调压塔不适合高水头管道系统。

2.3 单向调压塔

单向调压塔主要设置在管道中容易产生水柱分离的峰点、膝部折点、鱼背点等位置[1],对于削减管道内的负压具有良好的效果。单向调压塔与管道的连接管设置止回阀,水流的方向是单向的,即只允许水流从塔内流入管道中。正常情况下,通过补水管向单向调压塔内充水,当水位达到设置的水位后,通过浮球阀作用停止注水。当管道内压力低于单向调压塔水头时,单向调压塔开始向管道内补水,以消除管道内的断流,防止管道出现负压以及消减断流弥合水锤。由于管道中的水不能流入单向调压塔,单向调压塔的水位不需要超过水力坡度线,容积只需满足填充由于水柱分离所产生的空腔体积即可,因此单向调压塔是比较经济适用的。

2.4 液压气动罐

液压气动罐分为隔膜式和气囊式,目前气囊式运用的比较多,一般安装在水泵出口管道上,位置在止回阀或蝶阀后。气囊式空气罐在罐体内加装了一个气囊内胆,压缩气体位于气囊和罐体内壁之间。液压气动罐的防护原理和双向调压塔相似,通过设置水的容积和气体压力,可有效消除管道内的正负压,是一种高效的水锤防护措施。当管道系统内的压力上升时,水进入气囊内,气囊和罐体间的气体被压缩,缓解管道内的压力上升;当管道系统内的压力降低,气囊内的水被气体挤出,补充到管道系统内,防止管道系统内出现水柱分离[2],避免水锤出现。液压气动罐的防护效果和范围与其容积有很大关系,液压气动罐需要配备空气压缩机,在后续维护管理上,成本稍大。

2.5 水击预防阀

水击预防阀又称泄压保护阀,通常安装在管道旁支管处,当管道发生水锤,产生的压力超过该阀门设置的安全压力时,水击预防阀开阀泄水并报警,释放管道中的压力,保护管道及其附属设施;当管道中的压力恢复正常时,水击预防阀关闭,恢复管道正常状态。

3 工程模型分析

该工程在起点处的提升泵站采用3台水泵并联(两用一备),单泵工况127 L/s,扬程124 m,管道沿线埋设大致为中间高,两边低。稳态下的水力坡降线如图1所示。管线在K11+200和K13+900为两处高点,停泵工况时水柱会拉断,极易产生断流弥合水锤。

图1 稳态下水力坡度图

图2 停泵水锤模拟工况包络线图

目前在进行水锤分析时,主要有停泵工况、启泵工况(重点分析停泵再次启动工况)、关阀工况等,其中停泵水锤分析最为常见。相关设计规范对管道产生水锤时要求如下:室外给水设计标准中要求“管道中瞬时最高工作压力不应大于工作压力的1.3～1.5倍”;泵站设计标准中要求“水泵出口工作阀门后的最高工作压力不应超过水泵出口额定压力的1.5倍”“最低压力不宜低于-4 m”,并对水泵机组的反转速度、反转持续时间做出了相关要求。

3.1 停泵水锤工况分析

停泵水锤是长距离输水管道水锤分析中最常见的一种,一般对水泵后设置普通止回阀和缓闭止回阀分别进行分析。(1)当水泵出口设置普通止回阀,在发生事故停泵时,止回阀可及时关闭,防止水倒流造成水泵反转,从而保护水泵和电机的安全;(2)当水泵出口设置缓闭止回阀时,通过水锤模拟分析合理设置阀门两阶段关闭过程的时间和速度,尽可能地消除管道中的水锤发生概率,同时应保证水泵反转速度和持续时间满足规范要求。

对泵房突然断电情况下的停泵水锤工况进行模拟,在没有水锤防护条件下突然停泵,在保护泵组和水质的前提下,该项目水泵后采用止回阀[3],压力包络线如图2。在此工况下K11+200和K13+900两处高点产生气穴空腔,水柱在这两个高点拉断,形成空腔高达161 m3,水流振荡弥合后形成弥合水锤。水泵后止回阀位置处的最大正压达179 m,已经接近规范允许的管道最大压力180 m,尚且满足规范要求,也已接近规范的边缘取值;水泵出口到最高点沿线产生-10 m负压,远超规范允许的-4 m负压。

3.2 停泵再启动水锤工况分析

由于突然发生的事故导致停泵,然后快速再次启动,由于突然停泵后管道内的水柱仍在管道内来回振荡传递,此时再次启动水泵,水柱会在管道内发生冲撞,极易产生比停泵水锤更严重的水锤。对在无水锤防护措施条件下突然停泵,在最不利时间段(经模拟分析停泵2 min后)重启水泵的工况进行模拟,压力包络线图见图6。此时产生的水锤比停泵水锤更严重,最大正压达到了227 m水头。

4 水锤防护措施

分析停泵水锤压力包络图(图2),由于泵后止回阀位置处的正负压同时存在,正压尚满足规范要求,在该工况下主要消除的是管道内的负压。在系统中的这个位置可用双向调压塔或液压气动罐消除正负压,或用单向调压塔消除负压。由于双向调压塔内的水位要达到稳态水头线,塔高差不多100 m,所以用双向调压塔经济上不合适。因此对采用单向调压塔和液压气动罐防护做了方案比选:

(1)方案一,液压气动罐+单向调压塔方案:起点设置液压气动罐,容积10 m3,在K11+200和K13+900两处高点处分别设置直径D=5 m、高度H=5 m和直径D=5 m、高度H=10 m的单向调压塔,压力包络线如图3所示。该方案基本上消除了负压,正压也控制得很好。

(2)方案二,液压气动罐方案:起点提升泵站处设置液压气动罐,容积60 m3,沿线设置22个空气阀,压力包络线如图4所示。该方案最小负压控制在-3 m,满足规范最低-4 m的要求。

(3)方案三,单向调压塔方案:全线共设置6个单向调压塔,直径D=5 m、高度H=40 m,直径D=3 m、高度H=30 m,直径D=3 m、高度H=30 m,直径D=5 m、高度H=40 m,直径D=5 m、高度H=20 m,直径D=5 m、高度H=14 m,压力包络线如图5所示。该方案基本消除了负压,正压波动比较大,但都在规范允许范围之内。

从三个方案的压力包络线图可以看出,液压气动罐对削减管道内的正负压均有比较好的效果,单向调压塔对消除管道内的负压有比较好的效果。方案二中液压气动罐占地稍大,后续运行维护成本高;方案三中调压塔占地较多,额外征地的费用大,造价高;方案一结合了方案二和方案三,既有效消除了管道内的正负压,又控制了造价,后续维护成本适中,是相对理想的方案。

图3 停泵水锤工况包络线图(液压气动罐+单向调压塔)

图4 停泵水锤工况包络线图(液压气动罐)

图5 停泵水锤工况包络线图(单向调压塔)

图6 停泵再启动水锤工况包络线图(无防护)

对于停泵再启动水锤工况,在采用前述液压气动罐+单向调压塔方案进行防护后,停泵再启动水锤工况压力包络线图见图7。采用该水锤联合防护措施后,基本消除了负压,正压也降到140 m水头以下,满足规范要求。

图7 停泵再启动水锤工况图

5 结语

(1)高铁站作为一个重要的用水节点,其供水保证率的要求非常高,输水管道一旦出现爆管等事故,将严重影响其正常营运;公路作为输水管道沿线重要的交通设施,一旦在公路路基范围内产生爆管等事故,对其交通量、运营安全都产生很大的影响。因此在长距离复杂的供水项目中,水锤的防护是十分必要的。

(2)采用多个水锤防护措施联合防护与采用单一水锤防护措施相比,水锤防护效果更有效,可以减小工程初期投资和后期运维成本,具有更好的可行性和经济性。

(3)本项目的水锤防护主要以消除管道内的负压为主,单向调压塔和液压气动罐都可以消除管道负压,但液压气动罐的防护效果更有效。采用单向调压塔和液压气动罐联合进行水锤防护,在技术和经济上合理可行。意外停泵后在短时间内再次启动水泵所引起水锤更具有破坏性,通过软件进行模拟,得出最合适的再次启动水泵时间段,有利于泵站后续实际运营。