某工程采用泵送流式输水系统水锤运行工况模拟计算分析
时间：2023-05-28 18:50:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孔春艳
(中国电建集团港航建设有限公司，天津 300000)
全程共计3套泵送流供水系统：取水泵站-净水厂稳压配水井、净水厂清水池～市区管网和原水调蓄池～工业园区。工程示意图如图1所示。
计算范围的选取包括上述3套泵送流式供水系统的沿程输水管线及相应配套泵站、稳压配水井和原水调蓄池。
1.1 供水系统的设计水量
取水泵站～净水厂稳压配水井设计水量3.328 m3/s；
净水厂清水池～市区管网设计水量2.1 m3/s；
原水调蓄池～工业园区设计水量1.89 m3/s。
1.2 供水系统的水位信息
供水系统的水位信息，见表1。
表1 供水系统水位信息
1.3 管线基础参数选取
管线基础参数见表2。
表2 管线基本属性表
1.4 模拟计算时管线拓扑图
管线拓扑图，见图2。
2.1 稳态工况的选取
以设计水量作为稳态和瞬态水锤防护分析基准工况，选取相应防护设备参数，以70%事故时水量作为校核工况[1]。
最不利工况：取水泵站～净水厂稳压配水井设计水量3.328m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，稳压配水井取最高水位126m；
净水厂清水池-市区管网设计水量2.1m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市区管网取最高水位165m；
原水调蓄池-工业园区设计水量1.89m3/s，原水调蓄池取最低水位126m，工业园区取最高水位142m[2]。
校核工况：取水泵站-净水厂稳压配水井设计水量2.33m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，稳压配水井取最高水位126m；
净水厂清水池-市区管网设计水量1.47m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市区管网取最高水位165m；
原水调蓄池-工业园区设计水量1.323m3/s，原水调蓄池取最低水位126m，工业园区取最高水位142m。
2.3 稳态计算结论及分析
表3 管线建议承压能力
续表3 管线建议承压能力
根据《给水排水工程管道结构设计规范》规定，泵送流管线“钢管设计内水压力(即承压)=最大工作压力(即自由水头)+0.5MPa”，因此建议泵送流段管。
根据计算结果可以看出泵送流管线工作压力(自由水头)均小于管线建议承受压力，因此管线建议承受压力均能满足规范的控制要求。
3.1 取水泵站～净水厂稳压配水井水锤防护模拟
1)事故时无水锤防护时的模拟计算：
以最不利工况(设计水量3.328m3/s，取水泵站前池取最低水位62.27m，净水厂稳压配水井按最高水位126m计算)该管线进行事故状态下的停泵水锤模拟分析，分析可知：在管线末端局部的最大压力(自由水头)超出管线耐压等级，达到临界的汽化值，因此有可能产生弥合水锤，不能满足管线安全稳定运行的条件，因此为了保证供水安全，消除弥合水锤，增加水锤防护设施。
2)事故停泵有水锤防护设备模拟(最不利工况)：
设置复合式空气阀，并且配置其他的水锤防护措施，进行事故状态下的停泵水锤防护模拟计算[3]。当水泵出口处设置两阶段液控止回偏心半球阀时，通过第一阶段快速关阀、第二阶段缓慢关阀来进行水锤防护。根据多种关阀方案模拟，比选出最佳关阀时间：第一个阶段快速关闭阀门20s(关闭70%开度)，第二个阶段慢关40s(关闭30%开度)。
分析可知：设置两阶段液控止回偏心半球阀后，全管线最大压力(自由水头)超出管线最大耐压等级，最小压力达到汽化临界值，不能达到水锤的安全防护要求。因此需在此基础上增加单向调压塔等水锤防护设备，以缓解事故停泵导致的压力波动，保证管线安全运行。根据工程特点及工程经验，建议在沿管线的方向，设置气压空气罐进行水锤防护，具体参数详见表4。
表4 水锤防护参数(取水泵站-净水厂稳压配水井)
分析可知：事故停泵时泵送流管线在单向调压塔防护方案下全线最大压力、最小压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵未倒转，阀后压力也满足规范要求，水锤防护效果良好。可以认为该计算数据满足水锤的安全防护要求。
3)事故停泵有水锤防护设备模拟(工况校核)：
以事故时70%水量(2.33m3/s)对上述水锤防护方案进行校核。分析可知：事故停泵时泵送流管线在单向调压塔防护方案下全线最大压力、最小压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵未倒转，阀后压力也满足规范要求，校核通过。
3.2 净水厂清水池～市区管网水锤防护模拟
3.2.1 事故停泵无水锤防护设备模拟
以最不利工况(设计水量2.1m3/s，清水池吸水井取最低水位115.4m，市区内的管网水位取最高值165m)对该管线进行事故状态下的停泵水锤模拟分析。
分析可知：在管线末端局部的最大压力(自由水头)超出管线耐压等级，近似汽化临界安全值，不能满足水锤防护的设计要求，因此为了保证供水安全，消除弥合水锤，增加水锤防护设施。
3.2.2 事故停泵有水锤防护设备模拟(最不利工况)
设置复合式空气阀，并且设置其他的水锤防护设备进行全管线事故停泵状态时，水锤的防护模拟。当水泵出口处设置两阶段液控止回偏心半球阀时，通过第一阶段快速关闭以及第二阶段缓慢关闭来进行水锤防护。根据多种关阀方案模拟，比选出最佳关阀时间：第一阶段快速关闭阀门20s(关闭70%开度)，第二阶段慢关40s(关闭30%开度)。
分析可知：设置两阶段液控止回偏心半球阀后，全管线的最大压力(自由水头)超出规定的正压上限，最小压力达到最低的临界汽化值，不满足水锤的安全防护要求。因此需在此基础上增加气压罐等水锤防护设备，以缓解事故停泵导致的压力波动，保证管线安全运行。根据工程特点及工程经验，建议在净水厂的水泵出水母管处，设置相配套的气压罐进行水锤的安全防护，具体参数详见表5。
表5 水锤防护参数
分析可知：事故停泵时泵送流管线在气压罐防护方案下全线最大压力、最小压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵未倒转，阀后压力也满足规范设计要求，水锤防护效果良好。因此，该计算数据满足水锤规范要求的安全防护要求。
3.2.3 事故停泵有水锤防护设备模拟(工况校核)
以事故时70%水量(1.47m3/s)对上述水锤防护方案进行校核。
分析可知：事故停泵时泵送流管线在气压罐防护方案下全线最大压力、最小压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵没有出现倒转，阀后压力也满足规范要求，水锤防护效果良好。因此，该计算数据满足水锤的安全防护要求。
3.2.4 原水调蓄池～工业园区水锤防护模拟
1)事故停泵无水锤防护设备模拟：
以最不利工况(设计水量1.89m3/s，原水调蓄池取最低水位126m，工业园区的水位取最高值142m计算)对该管线进行事故状态下的停泵水锤模拟分析。
分析可知：全线最大压力(自由水头)超出正压上限，最小压力达到汽化临界值，不满足水锤的安全防护要求。因此需在此基础上增加气压罐等水锤防护设备，以缓解事故停泵导致的压力波动，保证管线安全运行。
2)事故停泵有水锤防护设备模拟(最不利工况)：
设置空气阀基础，并且设置各种水锤防护设备进行全线事故停泵水锤防护模拟。当水泵出口处设置两阶段缓闭止回阀时，通过第一阶段快关和第二阶段慢关来进行水锤防护。根据多种关阀方案模拟，比选出最佳关阀时间：第一阶段快关20s(关闭80%开度)，第二阶段慢关40s(关闭20%开度)。
分析可知：设置两阶段液控止回偏心半球阀后，全线最大压力(自由水头)超出正压上限，最小压力达到汽化临界值，不满足水锤的安全防护要求。因此需在此基础上增加气压罐等水锤防护设备，以缓解事故停泵导致的压力波动，保证管线安全运行。根据工程特点及工程经验，建议在原水泵站的水泵出水母管处，设置空气气压罐进行水锤防护，具体参数详见表6。
表6 水锤防护参数
分析可知：事故停泵时泵送流管线在气压罐防护方案下全线最大压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵没有出现倒转，阀后压力也满足规范要求，水锤防护效果良好。因此，该方案满足水锤防护要求。
3)事故停泵有水锤防护设备模拟(工况校核)：
以事故时70%水量(1.323m3/s)对上述水锤防护方案进行校核分析可知：事故停泵时泵送流管线在气压罐防护方案下全线最大压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵没有出现倒转，阀后压力也满足规范要求，水锤防护效果良好。
取水泵站～净水厂稳压配水井：水泵出口两阶段液控止回偏心半球阀关阀时间为：第一阶段快关20s(关闭70%开度)，第二阶段慢关40s(关闭30%开度)。
净水厂清水池～市区管网：水泵出口两阶段液控止回偏心半球阀关阀时间为：第一阶段快关20s(关闭70%开度)，第二阶段慢关40s(关闭30%开度)。
原水调蓄池～工业园区：水泵出口两阶段液控止回偏心半球阀关阀时间为：第一阶段快关20s(关闭80%开度)，第二阶段慢关40s(关闭20%开度)。
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