四川省東部山區某長距離超高揚程輸水工程設計總結

陳榮艷

(中國華西工程設計建設有限公司, 四川 成都 610000)

某項目位于四川省東部山區,既有2 座供水站因供水水質不能穩定達標,改由市政管網供水。 目前,市政管網引水點至最高供水站的高程約400 m,供水壓力無法滿足要求,考慮通過中途增設加壓泵站,將市政管網水提升至現有1#供水站清水池和2#供水站清水池、高位水池,再通過清水池和高位水池向周邊居民供水。

1 供水方案

本項目服務范圍總需水量為7 000 m3/d,其中1#供水站供水服務范圍內的需水量為4 000 m3/d,2#供水站供水服務范圍內的需水量為3 000 m3/d,管道總長度約11.64 km。 從圖1 來看,1#供水站及2#供水站所在位置海拔較高,其中1#供水站所在位置高程為929.43 m,2#供水站和2#供水站高位水池所在位置高程分別為566、664.25 m,而市政大管網供水壓力僅有536 m,故需要中途加壓。 由于供水站高程較高,為了滿足供水壓力,如何設置泵站梯級數量及泵站位置成為本工程的首要問題。

圖1 輸水工程總體系統Fig.1 Overall system of water transmission engineering

結合供水范圍內的地形地貌及供水站位置等情況,可采用一級加壓提升和多級加壓提升兩種供水方式。 一級加壓提升設置一座加壓站,直接向1#供水站的高位水池供水,該方式的優點是工程集中,便于管理,但一級提升水泵揚程較高,大于420 m,所需水泵的功率也較大,管道材質和閥門、閥件質量要求高,管道水錘防護十分復雜,管材成本較高。 多級加壓提升在技術、安全上比較有利,但在經濟、運行維護管理等方面存在不足,且分級管理級數太多,不利于后期管理調度。 對于供水工程,通常按照二級或者三級考慮,本工程所在區域多農田或耕地,用地緊張,故按照兩級提升進行比較。 從技術、經濟及安全性和運行維護管理方面,分析兩種供水方式的可行性,見表1。 二級加壓站的征地無法落實,故選擇經一級加壓提升425 m。 為充分利用市政管網壓力,避免水頭浪費,加壓站選址在高程531.6 m 處,與引水點管線長度僅540 m,后期維護管理也較方便。

表1 兩種供水方式可行性對比Tab.1 Feasibility comparison of two water supply methods

3 水錘分析

由圖1 可知,加壓站至1#供水站的清水池屬于高揚程壓力流輸水管道,1#供水站清水池至2#供水站清水池及高位水池又屬于高落差重力流輸水管道,故對壓力流和重力流段分別進行水錘防護分析。

結合管道縱段面圖,本工程采用KYPIPE SURGE 2010 水錘分析軟件對未設置水錘防護措施工況和設置水錘防護兩種工況進行對比分析。

3.1 壓力流段

3.1.1 基本情況介紹

加壓站采用3 臺水泵,2 用1 備,單臺水泵設計流量Q=140 ～160 ～175 m3/h,設計揚程H=445 ～425～415 m。 水泵及泵后止回閥標高為523.9 m,加壓站前清水池最低水位527.9 m,1#供水站清水池最高水位標高931 m。 加壓站至1#供水站管道長度4 736 m,管徑為DN350,管材為鋼管。

3.1.2 工況分析

(1)工況一:未設置水錘防護措施

假設水泵在1 s 內斷電停泵,對因突然斷電導致的停泵水錘進行瞬態水力分析,見圖2—3。 從圖2 可以看出整個輸水管線升壓很高,管線后端負壓嚴重。 從圖3 可以看出,水泵最大壓力高達577.8 m,遠高于正常供水壓力425 m。

圖2 無防護措施下事故斷電時的最大最小水頭包絡線Fig.2 Maximum and minimum water head envelope line in case of power outage in accidents without protective measures

圖3 無防護措施下事故斷電時的水泵處壓力Fig.3 Pressure at the water pump during power outage without protective measures

(2)工況二:設置水錘防護措施

假設止回閥2s 快閉95%,15s 緩閉5%,沿線設置空氣閥,并在泵后設置水擊閥,在此工況下進行停泵水錘分析,見圖4—5。 從圖4 可以看出,整個輸水管線升壓很小,管道后端負壓消除。 從圖5 可以看出,泵后最大壓力為441.7 m,略微高于正常供水壓力425 m,水錘防護效果好。

圖4 設置水錘防護措施的最大最小水頭包絡線Fig.4 Maximum and minimum water head envelope line for setting water hammer protection measures

圖5 設置水錘防護措施后止回閥處的壓力Fig.5 Pressure at the check valve after setting water hammer protection measures

3.2 重力流段

3.2.1 基本情況介紹1#供水站清水池最高水位標高為931.0 m,2#供水站末端清水池最高水位標高為569.7 m,最低水位標高為566.7 m。 1#供水站至2#供水站全線管道長度為6 900 m,管徑為DN200,管材為鋼管。

3.2.2 工況分析

(1)工況一:未設置水錘防護措施

在未設置任何水錘防護措施的情況下,假定末端關閥時間分別按照5 s 和30 s 控制,在此工況下進行水錘模擬分析,見圖6—7。 從圖6 可以看出,末端閥門按照5 s 關閥,管道沿線有比較嚴重的水錘升壓,輸水管線凸起點存在嚴重的負壓現象。 從圖7 可以看出,末端閥門按照30 s 關閥,管線沿線水錘升壓有所緩解,局部管段仍然出現負壓現象。

圖6 未設置水錘防護措施末端5s 關閥情況下的最大最小水頭包絡線Fig.6 Maximum and minimum water head envelope line under the condition of closing the valve for 5 seconds without setting water hammer protection measures at the end

(2)工況二:設置水錘防護措施

假定沿線設置空氣閥,末端設置水擊閥后,末端關閥時間分別按照5 s 和30 s 控制,在此工況下進行水錘模擬分析,見圖8—9,可以看出,管線全線無負壓,正壓升壓不高。 按照末端閥門關閥30 s 控制,末端壓力控制在正常工作壓力的1.04 倍之內,水錘防護效果較好。

綜合上述水錘分析,本工程壓力流段采用緩閉止回閥(2 s 快閉95%,15 s 緩閉5%)、防水錘空氣閥、水擊泄放閥進行水錘防護,重力流段采用防水錘空氣閥、水擊泄放閥及控制閥門關閥時間(30 s)來進行水錘防護。

4 工程設計

結合水錘模擬分析報告,參考以往工程項目的水錘防護措施[1-9],對本工程進行設計。

4.1 管道設計

在管道設計上,適當增大管道直徑、壁厚,降低輸水管道的流速,在一定程度上可以減少水錘壓力。通過水力和管道結構壁厚計算,從加壓站到1#供水站清水池采用DN350 管道,管材采用鋼管,管道流速為0.80 m/s,管道壓力進行分段統計(1.6,2.5,4.0,6.4 MPa),管道壁厚根據管道壓力情況采取8～12 mm。 從1#供水站清水池到2#供水站清水池采用DN200 管道,管材采用鋼管,管道流速為1.12 m/s,管道壁厚采取6 mm。

4.2 設置水錘消除裝置

GB 50265—2010《泵站設計規范》第9.4.4 條規定:高揚程、長壓力管道的泵站,工作閥門宜選用兩階段關閉的液壓操作閥。 結合水錘模擬分析報告,本工程在水泵出口處安裝液壓緩閉止回閥,采用兩階段關閉,2 s 快閉95%,15 s 緩閉5%。 考慮到整個輸水系統正壓較高,故增設水擊預防閥進一步控制,以確保整個工程的供水安全。 為節省工程投資,在泵與泵間的母管上引出兩根DN100 支管,設置水擊泄放閥,詳見圖10。 此外,在管道末端2#供水站清水池控制閥前設置水擊泄放閥。

圖10 泵后水擊泄放閥設置Fig.10 Setting of the water hammer relief valve after the pump

4.3 設置空氣閥

為了避免事故停泵、泵出口閥門關閉后管線形成的水柱分離現象,常見的防護措施有調壓塔和防水錘空氣閥兩種。 空氣閥構造比單向調壓塔簡單、造價低,安裝和后期管理維護較方便,本工程采用防水錘空氣閥。 加壓站至1#供水站共設置6 個防水錘型空氣閥,1#供水站至2#供水站設置12 個防水錘型空氣閥。

4.4 水泵機組變頻

由于供水管網壓力隨著工況的變化而不斷變化,系統運行過程中經常出現低壓或超壓現象,容易產生水錘。 為減少水錘發生的概率,本工程采用PLC 自動控制系統,保持恒壓供水,避免了過大的壓力波動。 本工程采用3 臺臥式中開多級離心泵,2用1 備,水泵采用變頻控制。

4.5 設置減壓消能措施

本工程1#供水站至2#供水站自然地形高差約270 m,需設置減壓措施消除多余水頭。 長距離輸水管道常見的減壓方式有兩種:一種是減壓閥減壓;另一種是消能池減壓。 由于本工程輸水管道沿山路敷設,加之輸水管道距離長,為便于日后管理維護,采用減壓閥的方式。 此外,由于現有1#供水站清水池、2#供水站清水池及2#供水站高位水池所處高程落差比較大,為確保2#供水站清水池及高位水池不溢流,且能保證1#供水站所需水量,故采取活塞式多功能控制閥,既可以控制流量,又可以調節壓力。本工程在1#供水站至2#供水站之間設置兩處活塞式多功能控制閥,分別將閥后壓力控制在0.2、0.5 MPa。 此外,在2#供水站高位水池之前的支管上設置1 處活塞式多功能控制閥,將閥后控制在0.1 MPa;在2#供水站前設置兩處活塞式多功能控制閥,將閥后壓力控制在0.45、0.1 MPa。

4.6 增設液位浮球控制閥

原2#供水站清水池及高位水池未設置液位控制措施,而2#供水站清水池及高位水位所處高程不同,為防止溢流,分別在2#供水站清水池及高位水池增設浮球控制閥進行水位控制。

5 工程試運行中存在問題分析總結

本工程于2019 年12 月開工建設,2020 年10 月建成并進行運行,試運行期間存在以下問題:

① 泵前閥門遭破壞。 本工程水泵自泵前清水池吸水母管引水,泵前設置3 臺蝶閥,壓力為1.0 MPa。 在調試期間,由于對緩閉止回閥關閥時間操作不當,引起水泵瞬間反轉,使其中一臺泵前蝶閥遭破壞,隨即水擊泄放閥開啟。 故建議調試及運行期間,必須按照兩階段關閥時間進行操作,同時確保水擊泄放閥壓力設定值跟水泵揚程基本一致或略微高于水泵揚程,以免操作不當帶來的事故及損失。

② 泵與電機產生共振。 本工程泵與電機采用獨立基礎,泵與電機分開采購,單獨安裝。 由于地基沉降不均勻,導致泵與電機共振,后改為整體基礎,共振現象緩解。 此外,若水泵軸與電機軸安裝不在一條直線上也容易引發共振。 故建議類似項目水泵與電機統一采購,盡可能采購同一廠家,基礎采用整體基礎,避免共振。

自對上述問題整改后,管道輸水能力、流速、壓力等均滿足設計要求,整個供水系統可安全平穩運行。

6 結語

水錘效應具有極大的破壞性,在長距離高揚程或超高揚程的輸水工程中表現尤為明顯。 對于山區地區輸水工程而言,由于沿線地形多變,各供水點之間的地形高差較大,如何確保供水系統安全平穩運行,成為工程設計的重點。 通過本工程的設計,有以下總結:

① 針對超高供水壓力,本工程充分利用市政管網余壓,采用一次加壓提升425 m 的供水方式,不僅解決后期維護管理復雜的問題,同時也解決了用地緊張協調難問題。

② 針對本身既有超高壓力流輸水管道的特點,又有超高重力流輸水管道的特點,本工程進行分段分工況水錘模擬分析,依據水錘模擬分析報告,采取了一系列水錘防護措施,有效地解決了長距離超高揚程輸水工程中的水錘問題,確保了供水的安全。