武進(jìn)區(qū)域供水二期工程輸水管線防護(hù)

1、武進(jìn)區(qū)域供水工程輸水管線防護(hù)分析1. 武進(jìn)輸水管線構(gòu)成簡介江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)輸水管線分為禮河水廠輸水管線和湖塘水廠輸水管線。禮河水廠輸水管線總長度32.5km，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模30萬m3/d，管道根數(shù)為1根，管徑DN1600，管材為PCCP管，輸水管線走向?yàn)樽匀∷谜窘映龊?，沿德勝河敷設(shè)至338省道，再沿338省道敷設(shè)至常泰高速，然后沿常泰高速敷設(shè)至禮河水廠；湖塘水廠輸水管線長度42.1km，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模20萬m3/d（包括常州第二水廠4萬m3/d的原水）。管道根數(shù)為1根，管徑DN1400，管材為PCCP管，輸水管線走向?yàn)樽匀∷谜窘映龊螅┰降聞俸雍?，沿魏村安家公路敷設(shè)，經(jīng)羅溪、鄒區(qū)至牛塘，由牛

2、塘至武進(jìn)城區(qū)的管道沿規(guī)劃道路敷設(shè)至長虹西路，然后沿長虹西路敷設(shè)至湖塘水廠。2. 輸水管線防護(hù)水錘是造成輸水系統(tǒng)破壞的主要原因。水錘破壞的主要表現(xiàn)形式為：水錘壓力過高，引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低，管道因失穩(wěn)而破壞。水泵反轉(zhuǎn)速過高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相重合，造成水泵機(jī)組的劇烈振動和聯(lián)軸器的斷裂。水錘的分類為：按產(chǎn)生水錘的原因可分為：關(guān)（開）閥水錘、開泵水錘和停泵水錘。按產(chǎn)生水錘時(shí)管道水流狀態(tài)可分為：不出現(xiàn)水柱中斷（稱為正常水錘）和出現(xiàn)水柱中斷（稱為事故水錘）兩類。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，在運(yùn)行中可能造成輸水管線破壞的主要原因是停泵水錘和關(guān)閥水錘。因此需進(jìn)行水錘計(jì)算分析，并采取有效的防

3、措施。3. 水錘計(jì)算水錘分析的目的是：計(jì)算分析取水泵房內(nèi)不同方向兩臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)事故停泵所引起的泵站管路系統(tǒng)中的水力過渡過程，并對水錘危害作出判斷和預(yù)測，為水錘防護(hù)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。1.2.3.3.1 停泵水錘計(jì)算分析1計(jì)算原理、計(jì)算方法采用特征線法進(jìn)行分析計(jì)算。特征線法是泵站及管路系統(tǒng)水力過渡過程的分析與計(jì)算的主要方法，其主要原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組，轉(zhuǎn)化為在特征線方向上的常微分方程組（特征方程），沿特征線進(jìn)行積分，將得到有限差分方程式，根據(jù)給定的初始邊界條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)采用有限差分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。a 特征線方程組b 簡化的兼容性方程（有限差分方程式）C+: HPi=CP-B

4、QPiC-: HPi=CM+BQPi其中：CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1Qi-1CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1Qi+1為驗(yàn)證停泵水錘發(fā)生時(shí)的影響，在水錘計(jì)算中對取水泵房發(fā)生斷電事故時(shí)可能發(fā)生的水錘進(jìn)行純理論計(jì)算和考慮防護(hù)措施的計(jì)算。2無防護(hù)措施的水錘計(jì)算不設(shè)任何防護(hù)措施，即無閥管路。根據(jù)“純理論”的電算成果，繪出此種情況下的最高和最低水頭包絡(luò)線圖和水力過渡過程線圖。禮河水廠輸水管線最高和最低水頭包絡(luò)線和水力過渡過程線如圖1和圖2所示。湖塘水廠輸水管線最高和最低水頭包絡(luò)線和水力過渡過程線如圖3和圖4所示。從圖1圖4可以看出，當(dāng)發(fā)生停泵水錘時(shí)，幾乎沿整個(gè)管線出現(xiàn)了真空（從數(shù)字上看，

5、它們幾乎全都超過絕對真空10.33 mH2O的數(shù)值，但實(shí)際上是不可能的），輸水管線首先出現(xiàn)斷流彌合水錘的位置在管線穿越德勝河處。因此，必須對輸水管線工程進(jìn)行以減輕降壓、消除真空和斷流彌合水錘危害為重點(diǎn)的綜合實(shí)用的水錘防護(hù)。3采取水錘綜合防護(hù)措施后的水錘計(jì)算水錘綜合防護(hù)考按以下措施考慮。（1）設(shè)置緩閉止回閥門在水泵壓出口擬采用“蓄能液壓緩閉蝶閥”進(jìn)行控制。由于關(guān)閥水錘與關(guān)閥時(shí)間有關(guān)，故需對緩閉閥的關(guān)閥時(shí)間進(jìn)行研究。對關(guān)閥水錘，一般按關(guān)閥時(shí)間Tc與水錘相Tr 的關(guān)系可分為：直接水錘：TcTr間接水錘：Tc Tr為避免發(fā)生直接水錘，故水泵出口處設(shè)置的緩閉閥關(guān)閉時(shí)間應(yīng)為： TcTr2L式中L管道長度（

6、m） 水錘波速，取980 m/s經(jīng)計(jì)算，禮河方向輸水管道水泵出口處緩閉閥的關(guān)閥時(shí)間應(yīng)大于66秒；湖塘水廠方向輸水管道水泵出口處緩閉閥的關(guān)閥時(shí)間應(yīng)大于86秒。據(jù)此，確定水泵出口處蓄能式液壓蝶閥采用兩階段關(guān)閉方式：先快關(guān)60°歷時(shí)5 s; 余下30°慢關(guān)，用100 s關(guān)完，關(guān)閥總歷時(shí)Tc=105s。（2）利用多個(gè)注氣閥進(jìn)行多處注氣，在管線上預(yù)計(jì)可能發(fā)生水柱分離處，設(shè)置多個(gè)注氣閥。采取上述措施后的動態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果見表1、表2。 采取上述防護(hù)措施后禮河水廠和湖塘水廠輸水管線最高和最低水頭包絡(luò)線如圖5和圖6所示，禮河水廠和湖塘水廠輸水管線停泵水錘水力過渡過程線如圖7和圖8所示。從表1

7、、表2及圖5圖8可以看出當(dāng)水錘發(fā)生時(shí)：水泵出口處最大壓頭為78.33 m和66.26 m，僅為工作壓力的1.05倍左右；管線最高壓力處的壓頭為79.55 m和65.34 m，而該兩處管材均采用鋼管，故最高壓頭比管道公稱壓力還低； 泵站倒流量很小，僅為額定流量的20%，歷時(shí)13.2 s；水泵沒有出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象； 所有的計(jì)算點(diǎn)處無真空出現(xiàn)或真空度較小（不超過3mWC），防真空效果好；泵站處最低壓頭值為13.96 m和13.9m，無水柱分離之虞；3.2 結(jié)論綜上所述，在沒有采取任何防護(hù)措施時(shí)，一旦發(fā)生停泵水錘，輸水管線幾乎沿整個(gè)管線出現(xiàn)了真空。當(dāng)在水泵壓出口采用蓄能液壓緩閉蝶閥后，輸水管道最早可能發(fā)生

8、真空段處為樁號13+000處（禮河水廠輸水管道）。為防止管線發(fā)生真空處產(chǎn)生斷流彌合水錘，采取在輸水管道上設(shè)置注氣閥進(jìn)行注氣的措施，可有效防止發(fā)生的斷流彌合水錘。圖 1 最高最低水頭包絡(luò)線（禮河水廠輸水管線）圖2 停泵水錘暫態(tài)過程線（禮河水廠輸水管線）圖3 最高最低水頭包絡(luò)線（湖塘水廠輸水管線）停泵水錘水力過渡過程線-20-100102030405060050100150200250300350400450TIME (SECOND)HEAD (m)A-HEAD AT PUMPING STATIONB-HEAD AT NODE 7AB圖4 停泵水錘暫態(tài)過程線（湖塘水廠輸水管線）圖5 設(shè)防護(hù)措施后最

9、高最低水頭包絡(luò)線（禮河水廠輸水管線）圖6設(shè)防護(hù)措施后最高最低水頭包絡(luò)線（湖塘水廠輸水管線）圖7設(shè)防護(hù)措施后停泵水錘暫態(tài)過程線（禮河水廠輸水管線）圖8 設(shè)防護(hù)措施后停泵水錘暫態(tài)過程線（湖塘水廠輸水管線）表1 禮河水廠輸水管線推薦水錘防護(hù)方案計(jì)算結(jié)果計(jì)算點(diǎn)124711162534435262718087樁號0+0000+3781+1342+2673+7795+6699+07012+47115+87219+27323+05226+45329+85532+500管中心標(biāo)高(m)2.300.511.090.802.003.603.213.123.073.163.112.083.613.70最高水頭值(m

10、)80.6380.0678.9177.1974.972.0366.8661.756.5451.3845.6440.4835.3211.3最低水頭值(m)16.2615.915.1413.9912.4810.627.243.910.572.320.82-0.741.0211.3最高壓頭值(m)78.3379.5577.8276.3972.968.4363.6558.5853.4748.2242.5338.431.717.6最低壓頭值(m)13.9615.3914.0513.1910.487.024.030.79-2.5-0.84-2.29-2.82-2.597.6表2 湖塘水廠輸水管線推薦水錘防

11、護(hù)方案計(jì)算結(jié)果計(jì)算點(diǎn)124711162534435262718087樁號0+0000+4901+4692+9374+8957+34311+74916+15520+56024+96629+86234+26738+67342+100管中心標(biāo)高(m)2.300.510.800.933.613.693.123.073.262.423.613.412.313.40最高水頭值(m)66.2665.8565.0463.8262.1960.1656.552.8449.1945.5341.4637.834.1511.3最低水頭值(m)16.215.9315.3814.5413.4412.089.67.164.7

12、22.33.631.26-0.6211.3最高壓頭值(m)63.9665.3464.2462.8958.5856.4753.3849.7745.9343.1137.8534.3931.847.9最低壓頭值(m)13.915.4214.5813.619.838.396.484.091.46-0.120.02-2.15-2.937.94. 防護(hù)措施為解決停泵水錘、關(guān)閥水錘、以及進(jìn)、排氣不暢對管道可能造成的破壞，在設(shè)計(jì)中分別采用了在取水泵站水泵出口處設(shè)置蓄能液壓緩閉蝶閥、在出水聯(lián)絡(luò)總管上設(shè)置壓力波動預(yù)止閥，在輸水管線設(shè)置空氣閥三種措施。1蓄能液壓緩閉蝶閥蓄能液壓緩閉蝶閥設(shè)置在每臺水泵的出口處，利用儲

13、存的重錘勢能，按預(yù)先設(shè)定好的快慢兩個(gè)階段關(guān)閥，先快關(guān)60°歷時(shí)5 s；余下30°慢關(guān)，用100 s關(guān)完，關(guān)閥總歷時(shí)Tc=105s。2壓力波動預(yù)止閥壓力波動預(yù)止閥是一種自動控制閥，設(shè)計(jì)用于減小因水泵開啟和關(guān)閉或停電而造成管道系統(tǒng)中所引起的壓力波動，能夠可靠地保護(hù)水泵及泵站。此閥門是一種導(dǎo)閥控制，液壓驅(qū)動的隔膜控制閥，閥門的兩端的壓力差是驅(qū)動它開啟關(guān)閉的能量來源，無需外界動力源。閥門的驅(qū)動裝置分為上、下兩個(gè)控制腔室，上腔室由導(dǎo)閥控制，可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)閥和泄壓導(dǎo)閥的內(nèi)置針閥來調(diào)節(jié)主閥的反應(yīng)速度，下腔室通過一固定的小孔與閥體內(nèi)壓力相連，使閥門的關(guān)閉得到緩沖。當(dāng)取水泵突然停泵時(shí)，一般會

14、產(chǎn)生巨大的壓力波動。在管道較長的供水系統(tǒng)當(dāng)中，這種壓力波動往往首先表現(xiàn)出明顯的低壓段，繼而高壓段激聚出現(xiàn)。低壓控制導(dǎo)閥可感應(yīng)到這種最初的壓力波降并自動開啟，以使主閥隨之開啟，從而預(yù)防從系統(tǒng)返回的高壓力波動。開啟的主閥會將隨之而來的高壓力波排至大氣。高壓控制導(dǎo)閥會感應(yīng)到同樣的高壓力波也會開啟并使主閥保持開啟狀態(tài)，將過余能量排放掉。當(dāng)系統(tǒng)壓力恢復(fù)到高壓控制導(dǎo)閥的設(shè)定值時(shí)，導(dǎo)閥本身將會關(guān)閉，導(dǎo)致主閥關(guān)閉，能有效地控制壓力波動的釋放并保證主閥及時(shí)關(guān)閉，避免額外損失系統(tǒng)壓力。使系統(tǒng)中的壓力穩(wěn)定在高壓與低壓預(yù)設(shè)值之間。壓力波動預(yù)止閥除了可預(yù)防壓力波動，還具有防止系統(tǒng)超壓，即安全閥功能。它通過將過高的壓力排向大氣，來完成這一功能。當(dāng)系統(tǒng)壓力超出高壓控制導(dǎo)閥的設(shè)定值，主閥可立即開啟，泄放系統(tǒng)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至正常壓力范圍，低于導(dǎo)閥設(shè)定值時(shí)，主閥自動緩慢關(guān)閉。設(shè)置壓力波動預(yù)止閥后，可防止輸水管線中發(fā)生斷流彌合水錘和管道超壓。3空氣閥設(shè)置實(shí)踐證明，壓力輸水管線排氣和進(jìn)氣不暢是管線發(fā)生事故的重要原因之一。壓力輸水管線中空氣的來源有三種情況： 當(dāng)管線開始充水時(shí)管中的空氣需要排出； 管線正常滿流時(shí)，水中約有2%的溶解空氣隨著溫度的上升或壓力