基于水锤分析的长距离输水系统泵站改造研究

刁美玲

(哈尔滨功达给排水技术有限公司，哈尔滨 150090)

0 引 言

由于地势问题，中国平原城市大部分长距离输水系统均采用泵送流供水方式。随着运行年限的增长，泵站内设备老化，部分输水泵站面临改造的局面。原有输水系统水力条件发生变化，将对长距离输水系统产生巨大影响。原有水锤防护设备无法应对新的供水格局，水锤防护方案或将失效，危害输水安全。因此，在进行泵站改造可行性分析过程中，需结合水锤分析结果综合确定改造方案。文章结合中国东北地区某长距离泵送流输水系统泵站改造实例进行分析。

1 构建水力过渡过程模型

在传统连续性方程和运动方程基础上，加入空气阀、止回阀、气压罐等防护措施边界条件，构建长距离输水系统水力过渡过程模型，并采用特征线法[1-3]求解，计算公式为：

QT=CT-CaHT

(1)

QT=Cn+CaHT

(2)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(3)

Cn=QL2-CaHL2-CfQL2|QL2|

(4)

2 工程实例

中国东北地区某长距离输水工程为多供水目标的枝状、复杂、泵送流输水系统。改造前，该输水系统主要由B水厂将水输送至J加压泵站，由于B水厂泵组等设备老化，无法继续承担输水任务，因此拟将A水厂进行升级改造，增加供水能力，满足1.6万m3/d的供水需求。

A水厂供水量1.22万m3/d，1#高位水池需水量0.9万m3/d，水位标高为59.8m；C加压泵站需水量0.7万m3/d，泵站前最低水压标高为40.1m。输水示意图，见图1。

图1 输水示意图

2.1 现状供水分析

以现有泵站机组、管线条件下分析现状供水量：①A厂供水量1.22万m3/d；②J泵站供给1#高位水池0.84万m3/d；③J泵站供给C泵站0.38万m3/d。

分析可知：现状情况下，1#高位水池和C泵站难以达到需求流量，因此需要改扩建现有泵站，以满足供水需求。根据管网拓扑分析，可分为2种改扩建方案：

1)方案1：改造J泵站，使其满足1#高位水池和C泵站用水。

2)方案2：取消J泵站，由A水厂泵组直供1#高位水池和C泵站。

事故停泵时，在现有水锤防护设备参数运行下，2种改造方案均使A水厂-J加压泵站之间的管线负压严重，达到汽化值，不满足水锤防护要求，因此需要在现有水锤防护设备基础上，在A水厂水泵出口母管处增加气压罐进行水锤防护。方案1为20m3气压罐，方案2为10m3气压罐。

2.2 方案1(改造J泵站)模拟

A水厂供给J泵站的管线原设计输水量为0.7万m3/d，现为满足1#高位水池和C泵站用水量，输水量需提升至1.6万m3/d，管线水头损失增加，导致J泵站前来水压力降低，泵组原设计扬程不满足需求，因此需提升J泵站2个分支泵组扬程:

1)A水厂供水量1.6万m3/d，扬程39.5m(原设计扬程满足要求)。

2)J泵站供给1#高位水池0.9万m3/d，扬程58m(原设计扬程37m，不满足要求，需提升扬程)。

3)J泵站供给C泵站0.7万m3/d，扬程45m(原设计扬程10m，不满足要求，需提升扬程)。

对该方案下主要的水锤分析结果，用图例分析：A水厂-J泵站之间管线水锤压力包络线，见图2；J泵站-C泵站之间管线水锤压力包络线，见图3；J泵站-1#高位水池之间管线水锤压力包络线，见图4。

图2 A水厂-J泵站之间管线水锤压力包络线

图3 J泵站-C泵站之间管线水锤压力包络线

图4 J泵站-1#高位水池之间管线水锤压力包络线

2.3 方案2(取消J泵站)模拟

方案2是拟取消J泵站，由A水厂直供C泵站，中途分水给1#高位水池(分水位置在J泵站处)。该方案下，A水厂供给J泵站时泵组额定流量满足需求，但扬程需要提高：

A水厂供水量1.6万m3/d，扬程88m(原设计扬程39.5m，不满足要求，需提升扬程)；

对该方案下主要的水锤分析结果进行图例分析：A水厂-J泵站之间管线水锤压力包络线，见图5；J泵站-C泵站之间管线水锤压力包络线，见图6；J泵站-1#高位水池之间管线水锤压力包络线，见图7。

图5 A水厂-J泵站之间管线水锤压力包络线

图6 J泵站-C泵站之间管线水锤压力包络线

图7 J泵站-1#高位水池之间管线水锤压力包络线

2.4 方案对比

2.4.1 改造内容对比

方案1与方案2的改造内容对比，见表1。

2.4.2 方案对比分析

1)方案1需将J泵站整体进行改造，所有泵组均提提升扬程，水锤防护措施相对方案2较大；日后运行多级泵站串联管理难度增加，对自控要求较高。

2)方案2需改造A水厂供给J泵站的泵组，由于超越J泵站，全线少串联一个泵站，运行管理难度较方案一有所降低。该方案由于增加A水厂水泵扬程，导致A水厂-J泵站之间的管线日常运行压力基本达到管线承压能力，安全量较小。建议该部分管线运行前做打压试验，日后管线改造时建议提升该段管线承压等级，增加安全量。

3)由于本工程属于多级泵站串联供水，各泵站之间采用吸水压力箱进行压力传递，导致泵站停泵时会对上下游泵站进行水锤干扰，泵站串联数量越多，干扰导致的水锤危害发生概率越大，相对而言，方案1事故停泵时水锤危害比方案2严重。

综上所述：2种方案各有优缺点，若仅从水锤防护角度进行对比，则方案2更优。实际操作过程中还应结合工程实施可行性分析及工程投资进行技术、经济综合评估。

表1 方案1与方案2改造内容对比表

3 结 论

对长距离输水系统泵站改造进行可行性分析时加入水锤分析可有效避免系统水力条件变更后水锤防护方案失效问题，将水锤防护方案计算结果和投资纳入改造方案的技术和经济分析中，进行综合评估，保证输水安全。