武进区域供水二期工程输水管线防护

1、武进区域供水工程输水管线防护分析1. 武进输水管线构成简介江苏省常州市武进区输水管线分为礼河水厂输水管线和湖塘水厂输水管线。礼河水厂输水管线总长度32.5km，设计输水规模30万m3/d，管道根数为1根，管径DN1600，管材为PCCP管，输水管线走向为自取水泵站接出后，沿德胜河敷设至338省道，再沿338省道敷设至常泰高速，然后沿常泰高速敷设至礼河水厂；湖塘水厂输水管线长度42.1km，设计输水规模20万m3/d（包括常州第二水厂4万m3/d的原水）。管道根数为1根，管径DN1400，管材为PCCP管，输水管线走向为自取水泵站接出后，穿越德胜河后，沿魏村安家公路敷设，经罗溪、邹区至牛塘，由牛

2、塘至武进城区的管道沿规划道路敷设至长虹西路，然后沿长虹西路敷设至湖塘水厂。2. 输水管线防护水锤是造成输水系统破坏的主要原因。水锤破坏的主要表现形式为：水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低，管道因失稳而破坏。水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相重合，造成水泵机组的剧烈振动和联轴器的断裂。水锤的分类为：按产生水锤的原因可分为：关（开）阀水锤、开泵水锤和停泵水锤。按产生水锤时管道水流状态可分为：不出现水柱中断（称为正常水锤）和出现水柱中断（称为事故水锤）两类。结合本工程的实际情况，在运行中可能造成输水管线破坏的主要原因是停泵水锤和关阀水锤。因此需进行水锤计算分析，并采取有效的防

3、措施。3. 水锤计算水锤分析的目的是：计算分析取水泵房内不同方向两台机组满负荷运行时事故停泵所引起的泵站管路系统中的水力过渡过程，并对水锤危害作出判断和预测，为水锤防护设计打好基础。1.2.3.3.1 停泵水锤计算分析1计算原理、计算方法采用特征线法进行分析计算。特征线法是泵站及管路系统水力过渡过程的分析与计算的主要方法，其主要原理是将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组，转化为在特征线方向上的常微分方程组（特征方程），沿特征线进行积分，将得到有限差分方程式，根据给定的初始边界条件，应用计算机采用有限差分进行数值计算。a 特征线方程组b 简化的兼容性方程（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为验证停泵水锤发生时的影响，在水锤计算中对取水泵房发生断电事故时可能发生的水锤进行纯理论计算和考虑防护措施的计算。2无防护措施的水锤计算不设任何防护措施，即无阀管路。根据“纯理论”的电算成果，绘出此种情况下的最高和最低水头包络线图和水力过渡过程线图。礼河水厂输水管线最高和最低水头包络线和水力过渡过程线如图1和图2所示。湖塘水厂输水管线最高和最低水头包络线和水力过渡过程线如图3和图4所示。从图1图4可以看出，当发生停泵水锤时，几乎沿整个管线出现了真空（从数字上看，

5、它们几乎全都超过绝对真空10.33 mH2O的数值，但实际上是不可能的），输水管线首先出现断流弥合水锤的位置在管线穿越德胜河处。因此，必须对输水管线工程进行以减轻降压、消除真空和断流弥合水锤危害为重点的综合实用的水锤防护。3采取水锤综合防护措施后的水锤计算水锤综合防护考按以下措施考虑。（1）设置缓闭止回阀门在水泵压出口拟采用“蓄能液压缓闭蝶阀”进行控制。由于关阀水锤与关阀时间有关，故需对缓闭阀的关阀时间进行研究。对关阀水锤，一般按关阀时间Tc与水锤相Tr 的关系可分为：直接水锤：TcTr间接水锤：Tc Tr为避免发生直接水锤，故水泵出口处设置的缓闭阀关闭时间应为： TcTr2L式中L管道长度（

6、m） 水锤波速，取980 m/s经计算，礼河方向输水管道水泵出口处缓闭阀的关阀时间应大于66秒；湖塘水厂方向输水管道水泵出口处缓闭阀的关阀时间应大于86秒。据此，确定水泵出口处蓄能式液压蝶阀采用两阶段关闭方式：先快关60°历时5 s; 余下30°慢关，用100 s关完，关阀总历时Tc=105s。（2）利用多个注气阀进行多处注气，在管线上预计可能发生水柱分离处，设置多个注气阀。采取上述措施后的动态模拟计算结果见表1、表2。 采取上述防护措施后礼河水厂和湖塘水厂输水管线最高和最低水头包络线如图5和图6所示，礼河水厂和湖塘水厂输水管线停泵水锤水力过渡过程线如图7和图8所示。从表1

7、、表2及图5图8可以看出当水锤发生时：水泵出口处最大压头为78.33 m和66.26 m，仅为工作压力的1.05倍左右；管线最高压力处的压头为79.55 m和65.34 m，而该两处管材均采用钢管，故最高压头比管道公称压力还低； 泵站倒流量很小，仅为额定流量的20%，历时13.2 s；水泵没有出现倒转现象； 所有的计算点处无真空出现或真空度较小（不超过3mWC），防真空效果好；泵站处最低压头值为13.96 m和13.9m，无水柱分离之虞；3.2 结论综上所述，在没有采取任何防护措施时，一旦发生停泵水锤，输水管线几乎沿整个管线出现了真空。当在水泵压出口采用蓄能液压缓闭蝶阀后，输水管道最早可能发生

8、真空段处为桩号13+000处（礼河水厂输水管道）。为防止管线发生真空处产生断流弥合水锤，采取在输水管道上设置注气阀进行注气的措施，可有效防止发生的断流弥合水锤。图 1 最高最低水头包络线（礼河水厂输水管线）图2 停泵水锤暂态过程线（礼河水厂输水管线）图3 最高最低水头包络线（湖塘水厂输水管线）停泵水锤水力过渡过程线-20-100102030405060050100150200250300350400450TIME (SECOND)HEAD (m)A-HEAD AT PUMPING STATIONB-HEAD AT NODE 7AB图4 停泵水锤暂态过程线（湖塘水厂输水管线）图5 设防护措施后最

9、高最低水头包络线（礼河水厂输水管线）图6设防护措施后最高最低水头包络线（湖塘水厂输水管线）图7设防护措施后停泵水锤暂态过程线（礼河水厂输水管线）图8 设防护措施后停泵水锤暂态过程线（湖塘水厂输水管线）表1 礼河水厂输水管线推荐水锤防护方案计算结果计算点124711162534435262718087桩号0+0000+3781+1342+2673+7795+6699+07012+47115+87219+27323+05226+45329+85532+500管中心标高(m)2.300.511.090.802.003.603.213.123.073.163.112.083.613.70最高水头值(m

10、)80.6380.0678.9177.1974.972.0366.8661.756.5451.3845.6440.4835.3211.3最低水头值(m)16.2615.915.1413.9912.4810.627.243.910.572.320.82-0.741.0211.3最高压头值(m)78.3379.5577.8276.3972.968.4363.6558.5853.4748.2242.5338.431.717.6最低压头值(m)13.9615.3914.0513.1910.487.024.030.79-2.5-0.84-2.29-2.82-2.597.6表2 湖塘水厂输水管线推荐水锤防

11、护方案计算结果计算点124711162534435262718087桩号0+0000+4901+4692+9374+8957+34311+74916+15520+56024+96629+86234+26738+67342+100管中心标高(m)2.300.510.800.933.613.693.123.073.262.423.613.412.313.40最高水头值(m)66.2665.8565.0463.8262.1960.1656.552.8449.1945.5341.4637.834.1511.3最低水头值(m)16.215.9315.3814.5413.4412.089.67.164.7

12、22.33.631.26-0.6211.3最高压头值(m)63.9665.3464.2462.8958.5856.4753.3849.7745.9343.1137.8534.3931.847.9最低压头值(m)13.915.4214.5813.619.838.396.484.091.46-0.120.02-2.15-2.937.94. 防护措施为解决停泵水锤、关阀水锤、以及进、排气不畅对管道可能造成的破坏，在设计中分别采用了在取水泵站水泵出口处设置蓄能液压缓闭蝶阀、在出水联络总管上设置压力波动预止阀，在输水管线设置空气阀三种措施。1蓄能液压缓闭蝶阀蓄能液压缓闭蝶阀设置在每台水泵的出口处，利用储

13、存的重锤势能，按预先设定好的快慢两个阶段关阀，先快关60°历时5 s；余下30°慢关，用100 s关完，关阀总历时Tc=105s。2压力波动预止阀压力波动预止阀是一种自动控制阀，设计用于减小因水泵开启和关闭或停电而造成管道系统中所引起的压力波动，能够可靠地保护水泵及泵站。此阀门是一种导阀控制，液压驱动的隔膜控制阀，阀门的两端的压力差是驱动它开启关闭的能量来源，无需外界动力源。阀门的驱动装置分为上、下两个控制腔室，上腔室由导阀控制，可以通过调节导阀和泄压导阀的内置针阀来调节主阀的反应速度，下腔室通过一固定的小孔与阀体内压力相连，使阀门的关闭得到缓冲。当取水泵突然停泵时，一般会

14、产生巨大的压力波动。在管道较长的供水系统当中，这种压力波动往往首先表现出明显的低压段，继而高压段激聚出现。低压控制导阀可感应到这种最初的压力波降并自动开启，以使主阀随之开启，从而预防从系统返回的高压力波动。开启的主阀会将随之而来的高压力波排至大气。高压控制导阀会感应到同样的高压力波也会开启并使主阀保持开启状态，将过余能量排放掉。当系统压力恢复到高压控制导阀的设定值时，导阀本身将会关闭，导致主阀关闭，能有效地控制压力波动的释放并保证主阀及时关闭，避免额外损失系统压力。使系统中的压力稳定在高压与低压预设值之间。压力波动预止阀除了可预防压力波动，还具有防止系统超压，即安全阀功能。它通过将过高的压力排向大气，来完成这一功能。当系统压力超出高压控制导阀的设定值，主阀可立即开启，泄放系统压力。当系统压力下降至正常压力范围，低于导阀设定值时，主阀自动缓慢关闭。设置压力波动预止阀后，可防止输水管线中发生断流弥合水锤和管道超压。3空气阀设置实践证明，压力输水管线排气和进气不畅是管线发生事故的重要原因之一。压力输水管线中空气的来源有三种情况： 当管线开始充水时管中的空气需要排出； 管线正常满流时，水中约有2%的溶解空气随着温度的上升或压力