四川省东部山区某长距离超高扬程输水工程设计总结

陈荣艳

(中国华西工程设计建设有限公司, 四川 成都 610000)

某项目位于四川省东部山区,既有2 座供水站因供水水质不能稳定达标,改由市政管网供水。 目前,市政管网引水点至最高供水站的高程约400 m,供水压力无法满足要求,考虑通过中途增设加压泵站,将市政管网水提升至现有1#供水站清水池和2#供水站清水池、高位水池,再通过清水池和高位水池向周边居民供水。

1 供水方案

本项目服务范围总需水量为7 000 m3/d,其中1#供水站供水服务范围内的需水量为4 000 m3/d,2#供水站供水服务范围内的需水量为3 000 m3/d,管道总长度约11.64 km。 从图1 来看,1#供水站及2#供水站所在位置海拔较高,其中1#供水站所在位置高程为929.43 m,2#供水站和2#供水站高位水池所在位置高程分别为566、664.25 m,而市政大管网供水压力仅有536 m,故需要中途加压。 由于供水站高程较高,为了满足供水压力,如何设置泵站梯级数量及泵站位置成为本工程的首要问题。

图1 输水工程总体系统Fig.1 Overall system of water transmission engineering

结合供水范围内的地形地貌及供水站位置等情况,可采用一级加压提升和多级加压提升两种供水方式。 一级加压提升设置一座加压站,直接向1#供水站的高位水池供水,该方式的优点是工程集中,便于管理,但一级提升水泵扬程较高,大于420 m,所需水泵的功率也较大,管道材质和阀门、阀件质量要求高,管道水锤防护十分复杂,管材成本较高。 多级加压提升在技术、安全上比较有利,但在经济、运行维护管理等方面存在不足,且分级管理级数太多,不利于后期管理调度。 对于供水工程,通常按照二级或者三级考虑,本工程所在区域多农田或耕地,用地紧张,故按照两级提升进行比较。 从技术、经济及安全性和运行维护管理方面,分析两种供水方式的可行性,见表1。 二级加压站的征地无法落实,故选择经一级加压提升425 m。 为充分利用市政管网压力,避免水头浪费,加压站选址在高程531.6 m 处,与引水点管线长度仅540 m,后期维护管理也较方便。

表1 两种供水方式可行性对比Tab.1 Feasibility comparison of two water supply methods

3 水锤分析

由图1 可知,加压站至1#供水站的清水池属于高扬程压力流输水管道,1#供水站清水池至2#供水站清水池及高位水池又属于高落差重力流输水管道,故对压力流和重力流段分别进行水锤防护分析。

结合管道纵段面图,本工程采用KYPIPE SURGE 2010 水锤分析软件对未设置水锤防护措施工况和设置水锤防护两种工况进行对比分析。

3.1 压力流段

3.1.1 基本情况介绍

加压站采用3 台水泵,2 用1 备,单台水泵设计流量Q=140 ～160 ～175 m3/h,设计扬程H=445 ～425～415 m。 水泵及泵后止回阀标高为523.9 m,加压站前清水池最低水位527.9 m,1#供水站清水池最高水位标高931 m。 加压站至1#供水站管道长度4 736 m,管径为DN350,管材为钢管。

3.1.2 工况分析

(1)工况一:未设置水锤防护措施

假设水泵在1 s 内断电停泵,对因突然断电导致的停泵水锤进行瞬态水力分析,见图2—3。 从图2 可以看出整个输水管线升压很高,管线后端负压严重。 从图3 可以看出,水泵最大压力高达577.8 m,远高于正常供水压力425 m。

图2 无防护措施下事故断电时的最大最小水头包络线Fig.2 Maximum and minimum water head envelope line in case of power outage in accidents without protective measures

图3 无防护措施下事故断电时的水泵处压力Fig.3 Pressure at the water pump during power outage without protective measures

(2)工况二:设置水锤防护措施

假设止回阀2s 快闭95%,15s 缓闭5%,沿线设置空气阀,并在泵后设置水击阀,在此工况下进行停泵水锤分析,见图4—5。 从图4 可以看出,整个输水管线升压很小,管道后端负压消除。 从图5 可以看出,泵后最大压力为441.7 m,略微高于正常供水压力425 m,水锤防护效果好。

图4 设置水锤防护措施的最大最小水头包络线Fig.4 Maximum and minimum water head envelope line for setting water hammer protection measures

图5 设置水锤防护措施后止回阀处的压力Fig.5 Pressure at the check valve after setting water hammer protection measures

3.2 重力流段

3.2.1 基本情况介绍1#供水站清水池最高水位标高为931.0 m,2#供水站末端清水池最高水位标高为569.7 m,最低水位标高为566.7 m。 1#供水站至2#供水站全线管道长度为6 900 m,管径为DN200,管材为钢管。

3.2.2 工况分析

(1)工况一:未设置水锤防护措施

在未设置任何水锤防护措施的情况下,假定末端关阀时间分别按照5 s 和30 s 控制,在此工况下进行水锤模拟分析,见图6—7。 从图6 可以看出,末端阀门按照5 s 关阀,管道沿线有比较严重的水锤升压,输水管线凸起点存在严重的负压现象。 从图7 可以看出,末端阀门按照30 s 关阀,管线沿线水锤升压有所缓解,局部管段仍然出现负压现象。

图6 未设置水锤防护措施末端5s 关阀情况下的最大最小水头包络线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)工况二:设置水锤防护措施

假定沿线设置空气阀,末端设置水击阀后,末端关阀时间分别按照5 s 和30 s 控制,在此工况下进行水锤模拟分析,见图8—9,可以看出,管线全线无负压,正压升压不高。 按照末端阀门关阀30 s 控制,末端压力控制在正常工作压力的1.04 倍之内,水锤防护效果较好。

综合上述水锤分析,本工程压力流段采用缓闭止回阀(2 s 快闭95%,15 s 缓闭5%)、防水锤空气阀、水击泄放阀进行水锤防护,重力流段采用防水锤空气阀、水击泄放阀及控制阀门关阀时间(30 s)来进行水锤防护。

4 工程设计

结合水锤模拟分析报告,参考以往工程项目的水锤防护措施[1-9],对本工程进行设计。

4.1 管道设计

在管道设计上,适当增大管道直径、壁厚,降低输水管道的流速,在一定程度上可以减少水锤压力。通过水力和管道结构壁厚计算,从加压站到1#供水站清水池采用DN350 管道,管材采用钢管,管道流速为0.80 m/s,管道压力进行分段统计(1.6,2.5,4.0,6.4 MPa),管道壁厚根据管道压力情况采取8～12 mm。 从1#供水站清水池到2#供水站清水池采用DN200 管道,管材采用钢管,管道流速为1.12 m/s,管道壁厚采取6 mm。

4.2 设置水锤消除装置

GB 50265—2010《泵站设计规范》第9.4.4 条规定:高扬程、长压力管道的泵站,工作阀门宜选用两阶段关闭的液压操作阀。 结合水锤模拟分析报告,本工程在水泵出口处安装液压缓闭止回阀,采用两阶段关闭,2 s 快闭95%,15 s 缓闭5%。 考虑到整个输水系统正压较高,故增设水击预防阀进一步控制,以确保整个工程的供水安全。 为节省工程投资,在泵与泵间的母管上引出两根DN100 支管,设置水击泄放阀,详见图10。 此外,在管道末端2#供水站清水池控制阀前设置水击泄放阀。

图10 泵后水击泄放阀设置Fig.10 Setting of the water hammer relief valve after the pump

4.3 设置空气阀

为了避免事故停泵、泵出口阀门关闭后管线形成的水柱分离现象,常见的防护措施有调压塔和防水锤空气阀两种。 空气阀构造比单向调压塔简单、造价低,安装和后期管理维护较方便,本工程采用防水锤空气阀。 加压站至1#供水站共设置6 个防水锤型空气阀,1#供水站至2#供水站设置12 个防水锤型空气阀。

4.4 水泵机组变频

由于供水管网压力随着工况的变化而不断变化,系统运行过程中经常出现低压或超压现象,容易产生水锤。 为减少水锤发生的概率,本工程采用PLC 自动控制系统,保持恒压供水,避免了过大的压力波动。 本工程采用3 台卧式中开多级离心泵,2用1 备,水泵采用变频控制。

4.5 设置减压消能措施

本工程1#供水站至2#供水站自然地形高差约270 m,需设置减压措施消除多余水头。 长距离输水管道常见的减压方式有两种:一种是减压阀减压;另一种是消能池减压。 由于本工程输水管道沿山路敷设,加之输水管道距离长,为便于日后管理维护,采用减压阀的方式。 此外,由于现有1#供水站清水池、2#供水站清水池及2#供水站高位水池所处高程落差比较大,为确保2#供水站清水池及高位水池不溢流,且能保证1#供水站所需水量,故采取活塞式多功能控制阀,既可以控制流量,又可以调节压力。本工程在1#供水站至2#供水站之间设置两处活塞式多功能控制阀,分别将阀后压力控制在0.2、0.5 MPa。 此外,在2#供水站高位水池之前的支管上设置1 处活塞式多功能控制阀,将阀后控制在0.1 MPa;在2#供水站前设置两处活塞式多功能控制阀,将阀后压力控制在0.45、0.1 MPa。

4.6 增设液位浮球控制阀

原2#供水站清水池及高位水池未设置液位控制措施,而2#供水站清水池及高位水位所处高程不同,为防止溢流,分别在2#供水站清水池及高位水池增设浮球控制阀进行水位控制。

5 工程试运行中存在问题分析总结

本工程于2019 年12 月开工建设,2020 年10 月建成并进行运行,试运行期间存在以下问题:

① 泵前阀门遭破坏。 本工程水泵自泵前清水池吸水母管引水,泵前设置3 台蝶阀,压力为1.0 MPa。 在调试期间,由于对缓闭止回阀关阀时间操作不当,引起水泵瞬间反转,使其中一台泵前蝶阀遭破坏,随即水击泄放阀开启。 故建议调试及运行期间,必须按照两阶段关阀时间进行操作,同时确保水击泄放阀压力设定值跟水泵扬程基本一致或略微高于水泵扬程,以免操作不当带来的事故及损失。

② 泵与电机产生共振。 本工程泵与电机采用独立基础,泵与电机分开采购,单独安装。 由于地基沉降不均匀,导致泵与电机共振,后改为整体基础,共振现象缓解。 此外,若水泵轴与电机轴安装不在一条直线上也容易引发共振。 故建议类似项目水泵与电机统一采购,尽可能采购同一厂家,基础采用整体基础,避免共振。

自对上述问题整改后,管道输水能力、流速、压力等均满足设计要求,整个供水系统可安全平稳运行。

6 结语

水锤效应具有极大的破坏性,在长距离高扬程或超高扬程的输水工程中表现尤为明显。 对于山区地区输水工程而言,由于沿线地形多变,各供水点之间的地形高差较大,如何确保供水系统安全平稳运行,成为工程设计的重点。 通过本工程的设计,有以下总结:

① 针对超高供水压力,本工程充分利用市政管网余压,采用一次加压提升425 m 的供水方式,不仅解决后期维护管理复杂的问题,同时也解决了用地紧张协调难问题。

② 针对本身既有超高压力流输水管道的特点,又有超高重力流输水管道的特点,本工程进行分段分工况水锤模拟分析,依据水锤模拟分析报告,采取了一系列水锤防护措施,有效地解决了长距离超高扬程输水工程中的水锤问题,确保了供水的安全。