一、設(shè)計(jì)方案的重要性及思路
有些供水工程輸水壓力高,輸水過程中,由于閥門突然開啟或關(guān)閉等原因,使流速發(fā)生突然變化,管道壓力將產(chǎn)生大幅度波動(dòng),產(chǎn)生水錘效應(yīng)。水錘有極大的破壞性:壓強(qiáng)過高,將引起管子的破裂,反之,壓強(qiáng)過低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌,還會(huì)損壞閥門和固定件,嚴(yán)重威脅供水系統(tǒng)安全。
為了降低水錘效應(yīng),保障供水系統(tǒng)的健康運(yùn)行,需設(shè)置一套管道水錘防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)常常與水聽器偵聽傳感系統(tǒng)搭配使用,組成一套管線水錘及漏損監(jiān)測系統(tǒng)(采用壓電水聽器+高頻壓力傳感器+數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備RTU套件,同時(shí)需要給該套件提供直流電壓或者直接交流供電才能正常工作,所有也可稱電學(xué)式管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)),安裝方式如圖1所示。根據(jù)每個(gè)供水工程的實(shí)際情況,各級(jí)輸水管線末端均設(shè)有調(diào)節(jié)水池,整個(gè)供水系統(tǒng)的水錘防護(hù)可分段考慮,各子系統(tǒng)水錘防護(hù)也可單獨(dú)考慮。
圖1供水工程水錘防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)安裝示意圖
二、設(shè)計(jì)方案基本要求
設(shè)計(jì)方案所用到的水錘防護(hù)設(shè)備應(yīng)是專業(yè)制造廠技術(shù)成熟的產(chǎn)品,水錘防護(hù)設(shè)備質(zhì)量和性能應(yīng)是安全和可靠的。必須保證整個(gè)供水工程輸水系統(tǒng)的壓力相對穩(wěn)定,設(shè)備完好,保持設(shè)備健康運(yùn)行。采用水錘防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備后,供水工程輸水管線壓力變幅需要達(dá)到控制目標(biāo):
xiao除高壓目標(biāo):各種水錘事故條件下,工程全線管道內(nèi)壓力不得超出正常工作時(shí)的壓力0.3MPa;
xiao除負(fù)壓目標(biāo):各種水錘事故條件下,工程全線管道內(nèi)負(fù)壓不得超出1m的真空值。
三、水錘防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)閥門設(shè)備清單
復(fù)合排氣閥、呼吸閥、減壓閥(電動(dòng))、減壓閥(水力)、防水錘型排氣閥、減壓孔板等,所有閥門為軟密封。
3.1、減壓閥(電動(dòng))
3.1.1、套筒多噴孔式
所需調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有現(xiàn)場調(diào)整閥后壓力及遠(yuǎn)程調(diào)整閥后壓力(配合廠站區(qū)自控接入)等功能,具體要求如下:1)閥門在設(shè)計(jì)工作狀態(tài)壓力和流量情況下,出口壓力應(yīng)基本恒定不變,閥后壓力設(shè)定值可調(diào);2)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法正常操作時(shí)可手動(dòng)操作;3)調(diào)節(jié)閥應(yīng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測閥門狀態(tài)并根據(jù)需要遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制閥門動(dòng)作的功能。
閥門開度與流量應(yīng)成線性關(guān)系,并提交相關(guān)曲線圖。閥門必須能保持良好的線性關(guān)系,不會(huì)出現(xiàn)壓力突變情況,更不能由此導(dǎo)致關(guān)閥水錘。
閥門在全開狀態(tài)下通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的水頭損失應(yīng)≤ 1m 。
與防水錘排氣閥、復(fù)合排氣閥及呼吸閥等設(shè)備配套使用,保證整個(gè)輸水系統(tǒng)的壓力相對穩(wěn)定,設(shè)備運(yùn)行安全,能有效的去除高壓、負(fù)壓。
調(diào)流調(diào)壓閥應(yīng)有良好的動(dòng)態(tài)防振動(dòng)性能,使閥門在流速、壓力變化較大的情況下,能長期保持無振動(dòng)運(yùn)行效果。
3.1.2、閥門的結(jié)構(gòu)要求
多噴孔控制閥內(nèi)部采用噴管整個(gè)圓周對稱的錐形小孔,將高壓水由外向內(nèi),使水流加速通過小孔噴射,在噴管中心部位相互碰撞,去除能量,使氣蝕現(xiàn)象發(fā)生在噴管中心位置,不會(huì)損壞閥門部件,并可確保閥門在工作范圍內(nèi)不產(chǎn)生振動(dòng),保證閥門的長期使用壽命。
多噴孔控制閥主要有閥體、噴管、套筒、搖臂、電動(dòng)裝置、出口管等組成,電動(dòng)型法蘭連接,裝于的主管或支管中實(shí)現(xiàn)減壓或調(diào)流功能,能在全開,全關(guān)及閥門的任一位置正常順利操作,在使用中不會(huì)產(chǎn)生氣蝕或銹蝕而造成閥體損壞,亦不會(huì)因負(fù)壓而產(chǎn)生震動(dòng)及共振情況,保證閥門長期的平穩(wěn)運(yùn)行。
3.2、減壓閥(水力)
控制主閥出口壓力為一固定值??赏ㄟ^調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥將進(jìn)口壓力減至某一需要的出口壓力,并依靠介質(zhì)本身能量,使出口壓力不因進(jìn)口壓力或出口流量變化而變化。閥前需加裝過濾裝置。
3.2.1、結(jié)構(gòu)型式
1)調(diào)節(jié)閥主要用來調(diào)節(jié)壓力,通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后能使閥門出口壓力保持恒定,閥門與管道使用法蘭連接,驅(qū)動(dòng)方式為自力式驅(qū)動(dòng)形式。
2)調(diào)節(jié)閥應(yīng)配有智能控制系統(tǒng)用于閥門狀態(tài)監(jiān)測及控制,采用電池或市政供電雙重功能,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測并調(diào)節(jié)閥后壓力等功能。
3.2.2、技術(shù)要求
1)調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有調(diào)節(jié)壓力和流量的功能,具有線性調(diào)節(jié)特性,應(yīng)能在要求的壓力和流量變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。
2)調(diào)節(jié)閥應(yīng)有效的去除上游水頭能量,在不同輸水流量工況條件下,保證閥后壓力穩(wěn)定,出口壓力偏差值不得超過整定值的±2.5%。
3)調(diào)節(jié)閥應(yīng)能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量與壓力,開關(guān)閥動(dòng)作平穩(wěn),不會(huì)出現(xiàn)壓力及流量突變的情況。
4)調(diào)節(jié)閥應(yīng)有良好的動(dòng)態(tài)防振動(dòng)性能,使閥門在流速及壓力變化較大的情況下,能長期保持無振動(dòng)運(yùn)行效果。
5)調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有良好的抗汽蝕性能,并采取必要措施,使調(diào)節(jié)閥出口因汽蝕而產(chǎn)生的氣泡被限制在流道中央,防止氣泡在閥門及管道壁面處破裂而使閥門或管道受到破壞。
6)調(diào)節(jié)閥允許汽蝕系數(shù)要求不大于0.15。
7)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行過程中的噪音控制值在距閥體1m處測得的噪音值應(yīng)<60分貝。
8)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)動(dòng)作應(yīng)靈活無卡頓,閥門開關(guān)閥應(yīng)迅速以確保不會(huì)產(chǎn)生水錘而危害管路設(shè)備,閥門由全開至全關(guān)連續(xù)關(guān)閉時(shí)間應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)單位的相應(yīng)要求。
9)調(diào)節(jié)閥要有可靠的密封結(jié)構(gòu),密封結(jié)構(gòu)要求滲漏量為零。
10)閥門結(jié)構(gòu)必須保證其過流能力要求 ,運(yùn)行時(shí)水損小 ,在設(shè)計(jì)流量的工況下,閥門開度不應(yīng)大于全行程的85%。
11)調(diào)節(jié)閥應(yīng)有可靠措施保證以減少在大流量或高壓差條件下的操作負(fù)荷,閥門運(yùn)行平穩(wěn)。
3.2.3、智能采集系統(tǒng)
減壓閥應(yīng)配有智能采集系統(tǒng)用于閥門狀態(tài)監(jiān)測及控制,采用太陽能及蓄電池或者市政供電。管線沿線的減壓閥門(水力)由閥門廠家配套提供相應(yīng)的檢測儀表(包括閥門狀態(tài)傳感器、閥前/閥后壓力變送器等)、信號(hào)采集裝置以及相關(guān)的通訊及供電設(shè)備,具體通訊接口根據(jù)通信運(yùn)行商通訊方案確定。相關(guān)閥門狀態(tài)信號(hào)、閥前閥后的壓力信號(hào)能夠通過閥門廠家配套的數(shù)據(jù)采集裝置將數(shù)據(jù)送至廠區(qū)中控室水廠生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)。
3.3、防水錘空氣閥
3.3.1、基本要求
組合式空氣閥分為低壓進(jìn)排氣和高壓微量排氣兩部分。
低壓進(jìn)排氣部分是在管道壓力較低時(shí)(空管充水,管道排空等)工作,主要為低壓工況下大量排氣和進(jìn)氣。
高壓微量排氣則主要在管道正常帶壓工作時(shí),將管道內(nèi)不斷析出的氣體及時(shí)排放,以減少因之可能產(chǎn)生的多種不利后果。
空氣閥應(yīng)該能夠在管線水壓降到2m的情況下,仍能緊密關(guān)閉,不泄水。
在管線排空過程中,在泄水速度超過3m/s的情況下,組合式吸空氣閥可以大量迅速的向管線補(bǔ)充空氣,以避免管線出現(xiàn)負(fù)壓。
在管線正常運(yùn)行過程中,空氣閥可以自動(dòng)釋放逐步聚集在管線高點(diǎn)的空氣,避免由于氣囊造成的水損。
與減壓閥、復(fù)合排氣閥及呼吸閥等設(shè)備配套使用,保證整個(gè)輸水系統(tǒng)的壓力相對穩(wěn)定,保障設(shè)備運(yùn)行健康,能有效的去除高壓、負(fù)壓。
整體結(jié)構(gòu)簡單,沒有過多附件、配件,不銹蝕,故障率低,重量輕,便于安裝與維護(hù)。防腐性能強(qiáng),符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
3.3.2、防水錘空氣閥規(guī)格要求
防水錘空氣閥既有排氣功能又有補(bǔ)氣功能,在管道異常快速充水或水柱彌合情況下,通過限制排氣速度產(chǎn)生臨時(shí)氣囊,減緩水柱彌合速度,降低壓力波動(dòng)。閥體要求立式地面下安裝。
防水錘空氣閥建議采用一體化圓柱形設(shè)計(jì),即低壓進(jìn)排氣、高壓微量排氣裝置處于整個(gè)閥體內(nèi)部,整個(gè)空氣閥外部無突出零部件,便于維護(hù)閥門元件,利于節(jié)省安裝空間同時(shí)免于遭到意外損壞。
防水錘裝置:其主要作用為當(dāng)管道出現(xiàn)非正常工況發(fā)生水柱分離后的水柱彌合階段通過限流盤來限制空氣閥的排氣速度,在一定時(shí)間內(nèi)使管道內(nèi)留存空氣,形成氣囊,通過空氣的可壓縮性和彈性降低快速流動(dòng)的水對管道的沖擊,維護(hù)管道健康。防水錘裝置具有可調(diào)節(jié)緩閉調(diào)整機(jī)構(gòu),可根據(jù)水錘分析計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況現(xiàn)地調(diào)節(jié)氣囊維持時(shí)間,以達(dá)到去除彌合水錘的ZUI佳效果。為避免管道內(nèi)可能存在的雜物對防水錘裝置造成卡堵和纏繞,防水錘裝置應(yīng)位于浮球上方以避免與水接觸。
3.3.3、防水錘空氣閥性能要求
防水錘空氣閥,將主要作為在輸水管線初次充水和正常運(yùn)行時(shí)排出管道內(nèi)的空氣,及當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)真空時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣。組合式空氣閥將完成如下功能:
(1)空氣閥應(yīng)具有高低壓微量和大量兩種排氣功能,大排量組合式空氣閥的結(jié)構(gòu)保證在管道正常運(yùn)行時(shí)及時(shí)進(jìn)、排氣。
(2)高壓排氣則主要在管道正常帶壓工作時(shí),將管道內(nèi)不斷析出的氣體及時(shí)排放,以減少因之可能產(chǎn)生的多種不利后果。
(3)低壓進(jìn)排氣部分是在管道壓力較低時(shí)(空管充水,管道排空等)工作,主要為低壓工況下大量排氣和進(jìn)氣。
(4)當(dāng)管道放空時(shí)或爆管泄水時(shí),復(fù)合式空氣閥能夠及時(shí)吸進(jìn)空氣,以破壞管道真空,避免管道受到破壞。
(5)為防止異常情況下水柱分離后水柱彌合速度過快產(chǎn)生水錘,部分關(guān)鍵位置的空氣閥必須有防水錘組件,具備快開緩閉功能及配件。先快速大量排氣到設(shè)定壓力后,再以較慢速度排放剩余全部空氣。不得出現(xiàn)因管道排氣速度過快,管線壓力迅速上升而導(dǎo)致水錘及撞擊。閥內(nèi)部所有的活動(dòng)部件,應(yīng)保持動(dòng)作靈活可靠,并無須保養(yǎng)維護(hù),以保證空氣閥工作的可靠性,使輸水管線安全供水。
3.4、復(fù)合排氣閥
3.4.1性能要求
(1)排氣閥應(yīng)為復(fù)合式排氣閥,該閥具有大、小兩個(gè)排氣口且小排氣口采用微量排氣閥(DN100 以上口徑含DN100),將難溶解性空氣迅速排除,在開啟供水時(shí)管道空管時(shí)該閥大量排氣,將管道中空氣迅速排出,使管道中介質(zhì)水流暢通,提升流體效率;當(dāng)管道存在有微量氣體(或不易溶解氣體)時(shí)則通過該閥的微量排氣閥把氣體排出,保證管道流體通暢,減少能耗。并且停止供水(或負(fù)壓)時(shí)具有大量吸氣功能,使管道內(nèi)的大氣壓強(qiáng)與管外大氣壓強(qiáng)相等,減少破管的可能性;可提升供水率及防止管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,確保管道健康。結(jié)構(gòu)形式:活塞式(浮桶式,即浮球只能上下作動(dòng))。
(2)排氣閥應(yīng)保證在任何工況下都不會(huì)由于高速氣流的作用提前關(guān)閉,致使管道內(nèi)空氣不能排凈。
(3)排氣閥應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)在大口排氣過程中限制排氣流速的功能,以避免排氣速度過快引發(fā)或加劇水錘破壞。
(4)排氣閥運(yùn)行時(shí)應(yīng)無機(jī)械噪音和振動(dòng)。
(5)排氣閥在工作時(shí)應(yīng)具有較小的噪音,距裝置1m遠(yuǎn)處測得噪音在85dB以下。
(6)排氣閥的zui大吸氣能力須能滿足事故檢修水泵強(qiáng)排以及事故爆管沿管道zui大坡度重力自流兩種工況下管道排水時(shí)補(bǔ)氣的要求。
(7)排氣閥的大量排氣口在發(fā)生水錘工況下的水柱彌合階段應(yīng)具備限制排氣流速的功能,以平抑管道內(nèi)的壓力波動(dòng),在管道快速充水時(shí),應(yīng)自動(dòng)限制排氣速度,防止出現(xiàn)高速水流對管道本身和附件的沖擊。在管道內(nèi)外的壓差較低時(shí)可以全速排氣,在排氣速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)動(dòng)作,限制排氣速度。
3.5、減壓孔板
1、減壓孔板是安裝在檢修閥門井內(nèi),輸水管線正常情況下關(guān)閉前后閥門處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)SHOU次充水或檢修后啟動(dòng)輸水管線時(shí)開啟前后閥門處于開啟狀態(tài),輸水管線正常運(yùn)行后關(guān)閉前后閥門。
2、減壓孔板主要性能及技術(shù)參數(shù):
孔板材質(zhì):不銹鋼S304
孔板厚度:12mm
單個(gè)孔面積大?。骸?5mm2
環(huán)境溫度℃:-40~+50
3.6、空氣罐(水錘罐體)、單向調(diào)壓塔或雙向調(diào)壓塔
空氣罐(水錘罐體)、單向調(diào)壓塔或雙向調(diào)壓塔等??諝忾y補(bǔ)氣時(shí)存在滯后性,水錘防護(hù)效果將大打折扣,因此在解決由負(fù)壓引起的水錘問題時(shí)一般優(yōu)先采用空氣罐和調(diào)壓塔。雙向調(diào)壓塔布置時(shí),調(diào)壓塔高度必須高于管路最高壓力線,且為了減小塔中水位變化幅度,調(diào)壓塔必須有較大的斷面面積和容量,故雙向調(diào)壓塔主要適用于低揚(yáng)程的泵站。在長距離高揚(yáng)程供水工程中,采用空氣罐可有效抑制水錘發(fā)生,但需設(shè)置的空氣罐數(shù)量較多,體積較大,導(dǎo)致工程投資增加,而采用空氣罐+單向調(diào)壓塔的方案在有效抑制水錘發(fā)生的同時(shí),可減小工程投資,提高泵站安全運(yùn)行保障。
空氣罐(水錘罐體)要求
(1)罐應(yīng)是鋼板焊接結(jié)構(gòu),材料不低于Q345R。
(2)法蘭的形式、尺寸和技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T9124及GB/T13402的規(guī)定。
(3)罐必須能夠保證充氣壓力穩(wěn)定,采取空壓機(jī)補(bǔ)氣的方式,罐應(yīng)配備向罐內(nèi)補(bǔ)充氣體的空壓機(jī)及相關(guān)的連接及輔助配件。
(4)罐須配有DN400或DN500的人孔,并在罐頂部適當(dāng)位置設(shè)置吊環(huán)。
(5)罐應(yīng)配置安全爬梯及操作平臺(tái),操作平臺(tái)周圍設(shè)防護(hù)欄,方便相關(guān)閥門、儀器儀表的檢修維護(hù)。
四、總結(jié)
供水工程水錘防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要針對管網(wǎng)的管線水錘及漏損監(jiān)測、針對廠站和管理站的數(shù)據(jù)監(jiān)測及共享、針對水廠的智慧運(yùn)管。配套的應(yīng)用層功能模塊主要包括水錘及泄漏(漏損)監(jiān)測分析系統(tǒng)、水廠智慧運(yùn)管系統(tǒng)、水廠及各管理站數(shù)據(jù)監(jiān)測及共享系統(tǒng)等。能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測供水管道的爆管或漏損事件,基于現(xiàn)場高頻壓力傳感器和時(shí)鐘同步技術(shù)監(jiān)測爆管漏量:240升/分以上,實(shí)現(xiàn)50米的爆管定位精度;識(shí)別和展示壓力瞬變水錘事件(施工、閥門操作、水泵啟停、排泥沖洗等),及時(shí)報(bào)警管理人員,定位瞬變源的位置或區(qū)域;同時(shí)驗(yàn)證過渡過程的理論計(jì)算和水錘防護(hù)設(shè)施,并指導(dǎo)運(yùn)行人員科學(xué)操作。