前段陡坡长距离供水工程水锤防护方案优选.docx

    前段陡坡长距离供水工程水锤防护方案优选    庞锴锋，唐 迪，刘智慧，刁美玲，高金良(1.大连市供水有限公司，辽宁 大连 116021；2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)前段陡坡长距离供水工程水锤防护方案优选庞锴锋1，唐 迪1，刘智慧2，刁美玲2，高金良2(1.大连市供水有限公司，辽宁 大连 116021；2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090)文章结合我国北方地区某长输管线供水工程实例，针对长距离、高起伏、前段有陡坡的长输供水系统水锤防护问题，对事故停泵水锤防护效果模拟分析，通过分别调节两阶段缓闭止回阀、调压塔和气压罐等水锤防护设备形成不同水锤防护方案，最终通过技术、经济性能综合比选出最优方案结果表明，在前段有陡坡的长距离供水工程中，以空气阀为基础防护设备，在管线中综合设置两阶段缓闭止回阀和气压罐，能够有效缓解过高和过低的水锤压力，水锤防护效果最好长输管线；前段陡坡；水锤防护；事故停泵由于地形限制，我国长距离高起伏供水系统居多，其中最具典型的沿线纵向高程变化形式有“V”型、倒“V”型、“M”型、“W”型、“前段陡坡”型等一旦发生事故停泵，长距离供水管道中极易产生水锤，尤其是在管道坡峰处压力变化巨大，严重影响供水系统安全稳定地运行[1]。

水锤事故轻则使管道爆裂，止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水，供水暂时中断；重则酿成泵站被淹毁、泵船沉没等严重事故[2]因此，对停泵水锤进行全面模拟分析，选择安全经济的水锤防护措施，在管线中合理设置水锤防护设备可有效保证长距离供水工程运行的安全前段陡坡”型(即供水工程起端处于较低地势，管线标高平缓，然后短距离内管线标高陡然升高)于河滩、库区取水工程中常见文章结合“前段陡坡”型长距离供水工程实例，进行水锤防护方案优选研究，为该类型长距离供水工程水锤防护提供参考1 工程简介YS工程位于我国北方地区，是一项特色农业供水工程本工程管线全长22.4 km，设计承压能力2.0 MPa，为泵送流单管供水系统泵站位于桩号0-127处，内设3台离心式水泵，2用1备，单泵流量0.605 m3/s，设计扬程77 m水泵吸水井水位156.02 m，管线末端水池水位207.45 m供水管材为球墨铸铁管，管径DN1200本工程特点是地形起伏大，前段有陡坡，后段起伏小，供水管线距离长，属于典型的“前段陡坡”型长距离供水系统(见图1)图1 YS工程管线纵断面示意图2 基础水力分析该段管线稳态压力分布见图2图2 管线稳态压力分布图全线未设置水锤防护设备，仅靠空气阀防护时，管线前段地形起伏大，存在陡坡，产生严重负压。

水锤防护效果见图3由图可知，最大压力在桩号174.38处，为104.7 mH2O，低于正压上限，全线自由水头均未超出正压上限，满足要求；但在管线起端有较长的负压段，低于负压下限-8 mH2O，负压严重，甚至达到汽化值-10 mH2O水锤防护重点是停泵时水泵出口高压、前段陡坡负压及管线末端负压问题因此现有设备不满足水锤防护要求，有必要设置水锤防护设备，以保证管线安全行图3 事故停泵水锤压力包络线3 水锤防护方案优选水锤防护设备众多，在供水管线上设置水泵出口止回阀、空气阀、单向调压塔、气压罐以及超压泄压阀等设备，是长输管道水泵机组事故停机水锤冲击防护的有效措施其中空气阀作为一种基础防护措施，在长距离输水管线水锤防护中得到广泛应用传统空气阀在高压气体冲击下或管道排空时阀球被卡住而无法正常排气，实际工程中常结合采用排气迅速、排气量大的三级缓排式空气阀和复合式空气阀[3]本工程设置空气阀31处，其中10处三级缓排式空气阀(在管线坡峰处设置)，21处复合式空气阀(管线起伏不大处设置)，作为水锤防护基础措施在水锤防护设备中，止回阀是最简单的防护措施，通过调节关阀时间进行水锤防护，但负压防护效果较为微弱；单向调压塔可以解决管线中大部分负压问题，但是局部坡峰处仍然会出现断流问题；抗水锤气压罐用于消减停泵水锤时连接在水泵出水止回阀后的压力供水管道上，具有抗水锤性能全面、安全可靠、使用方便、易维护等优点，但工程投资较大。

这些水锤防护设备技术成熟，且都有实践运行经验，因此文章针对这3种水锤防护设备形成不同的水锤防护方案，进行多方案对比分析研究，优选适宜的水锤防护方案3.1 方案一(两阶段缓闭止回阀)在各水泵出口设置两阶段控制阀，关阀时间第一阶段关闭70%用时3 s，第二阶段关闭30%用时7 s水锤防护结果如图4全线最大压力165.7 mH2O，高于正压上限160 mH2O，最小压力-10 mH2O，达到汽化值分析可知，管线前段约4 km，即有陡坡处最大压力大部分超出正压上限，最小压力有一部分远超负压下限，甚至达到汽化值计算结果不满足水锤防护要求3.2 方案二(调压塔+两阶段缓闭止回阀)在桩号2+640、4+418.06处设置调压塔1、2调压塔1塔高7 m，直径4 m，水深5 m；调压塔2塔高4 m，直径2 m，水深1.5 m，并在各水泵出口设置两阶段控制阀水锤防护结果如图5最大压力115.5 mH2O(桩号0+440处)，最小压力-7 mH2O(桩号3+650处)，在水锤防护要求范围内全线最大压力均3.3 方案三(气压罐+两阶段缓闭止回阀)在泵站出水母管处设置1个10 m3气压罐，充存压力140 kPa，并在各水泵出口设置两阶段控制阀。

水锤防护结果如图6最大压力123.8 mH2O(桩号0-66处)，最小压力-3.7 mH2O(桩号4+418.06处)，在水锤防护要求范围内全线最大压力均小于正压上限，全线负压均在负压下限-8 mH2O内分析可知满足水锤防护要求，且负压的水锤压力缓解效果好图4 事故停泵水锤压力包络线(方案一)图5 事故停泵水锤压力包络线(方案二)图6 事故停泵水锤压力包络线(方案三)3.4 方案优选水锤模拟计算结果见表1方案一在空气阀基础上设置两阶段止回阀，防护设备单一，安全性低，最大压力和最小压力均超出范围，且事故停泵时水泵反转，不满足防护要求方案二和方案三综合设置水锤防护设备，一旦其中一个防护设备拒动，其余设备可缓解一定水锤压力，安全性高，且都可有效缓解输水管道中的水锤降压，水泵转速及水泵阀后压力都满足要求但方案三防负压效果最优，同时气压罐即可以防负压，又可以防正压，抗水锤性能全面，鲁棒性较好表1 水锤模拟计算结果对比对3种方案定量分析后，通过技术经济综合比较(表2)可知，方案三水锤防护效果好，方便管理，安全性高，造价低，最终被确定为最佳方案表2 水锤防护方案优选4 结 论对于长距离、前段有陡坡、一次加压提升的长距离供水系统，结合采用气压罐和两阶段缓闭止回阀和空气阀水锤防护设备，能有效缓解前段有陡坡过低的水锤压力，水锤防护效果较为理想。

实际工程中将不同水锤防护设备互相配合、互相协调进行水锤防护，防止其中一个防护设备拒动造成的水锤危害问题，有效地对水锤进行防护，提高供水系统安全性[1]唐迪，刁美玲，王婷婷.超高落差长输供水工程减压消能方案优选实例研究[J].黑龙江水利，2015，1(06)：11-13，23.[2]翟翠婷.高扬程多起伏长距离压力输水管道水锤防护特点研究[D].西安：长安大学，2014.[3]陈立志，张庆坤，王一乔，等.在长距离高扬程输水管道工程中喷嘴式止回阀水锤防护效果研究[J].珠江水运，2015(01)：58-59.Water Hammer Protection Scheme Optimization for Long-distance Water Supply Project on Front Steep SlopePANG Kai-feng1;TANG Di1;LIU Zhi-hui2;DIAO Mei-ling2and GAO Jin-liang2(1.Dalian Urban Water Supply Limited Company, Dalian 116021, China; 2. Municipal Environmental Engineering Institute Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)Combined with a long-distance water conveyance pipeline project about water supply for a northern area in China, the effects of water hammer protection when pump stopping caused by the accident was simulated according to the water hammer protection problems, as example, long distance, huge terrain variation and sheep slope ahead, by regulating respectively the equipment of water hammer protection including the two stage check valve, pressure regulating tower and air pressure tank, the water hammer protection scheme was formed, finally, the optimal water hammer protection scheme was determined based on comprehensive comparison of technical and economic performance. The results show that it will effectively alleviate the high and low water pressure when the air pressure tank and two stage slowly-closing check valve are installed together if the air valve acts as the basic protective equipment, and the effects of water hammer protection is the best in the front long-distance water supply project on the sheep slope.long-distance water conveyance pipeline;front steep slope; surge protection; pump trip1007-7596(2017)06-0075-032017-05-18国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项：城市市政管网运行安全保障技术研究(2016YFC0802402)；哈尔滨市应用技术研究与开发项目(杰出青年人才A类)：城市供水管网漏失检测与控制技术研究及应用(2016RAYGJ002)庞锴锋(1985-)，男，浙江台州人，工程师，从事远距离输水管线工艺设备管理工作；唐迪(1981-)，男，辽宁庄河人，工程师，从事水利工程管理工作；刘智慧(1993-)，女，山西朔州人，在读研究生，研究方向水力过渡过程分析、市政工程；刁美玲(1989-)，女，黑龙江佳木斯人，工程师，研究方向供水管网水力水质建模、漏损控制、水锤分析；。