城鎮(zhèn)供水長距離輸水管道工程水錘的計(jì)算與分析

□李慧敏

長距離輸水管道采用水泵加壓輸水時(shí)，由于閥門突然關(guān)閉或水泵機(jī)組突然停機(jī)等因素，使流速劇烈變化而引起一系列壓力急劇交替升降的水力沖擊現(xiàn)象，稱為水擊或水錘。

管道運(yùn)行過程中的水錘作用，是影響管道輸水工程安全的最主要因素。較大的水錘作用可直接導(dǎo)致管道破裂、機(jī)組飛逸、輸水中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害。此文結(jié)合武安市南部鋼鐵企業(yè)供水工程對管道水錘進(jìn)行計(jì)算分析，以期為其他輸水工程提供借鑒參考。

1.工程概況

武安市南部鋼鐵企業(yè)供水工程，位于邯鄲市武安市南鼓山北麓及南洺河沿線，年引水量為4160萬m3，工程等別IV，工程規(guī)模為小（1）型。新建4座泵站，揚(yáng)程37.80m～143.10m。共有6條輸水管線，管徑DN600～DN1100，管道總長64.216km。

2.水錘產(chǎn)生原因

該工程各泵站串聯(lián)運(yùn)行，輸水管線線路較長，沿途多次穿越河道、橋梁、農(nóng)村道路等，管道起伏較大，系統(tǒng)較復(fù)雜，水體積較大，極易產(chǎn)生水錘。

3.水錘計(jì)算

現(xiàn)對其中一段管道進(jìn)行水錘計(jì)算：

3.1 管道特性

新金萬利泵站→固鎮(zhèn)輸水管道，管線總長14.046km，設(shè)計(jì)流量0.90m3/s，管材為K9球墨鑄鐵管，管徑DN1000。布置進(jìn)排氣井24座。水泵安裝高程263.00m，出水池高程370.40m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程107.40m。

3.2 管道水錘計(jì)算

根據(jù)輸水管線布置、管道管徑、管材長度、閥件組成及排氣閥設(shè)置等參數(shù)，采用特征線法進(jìn)行分析計(jì)算。

3.2.1 水錘的基本方程

運(yùn)動(dòng)方程：

連續(xù)方程：

特征線方程：

由上述兩方程簡化并轉(zhuǎn)化，可得到方程

將特征線方程沿特征線積分，其解的簡化為：

根據(jù)上述方程可求得時(shí)刻t，管道P點(diǎn)壓力Hp和流量Qp。

3.2.2 計(jì)算依據(jù)

一是最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍的最大工作壓力。二是事故停泵后水泵反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)間不應(yīng)超過2min。三是管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

3.2.3 計(jì)算內(nèi)容

模擬正常輸水的壓力分布，驗(yàn)算管線正常運(yùn)行情況。模擬停泵水錘的壓力分布，確定關(guān)閥規(guī)律和關(guān)閥時(shí)間，提出運(yùn)行調(diào)度方式。

3.2.4 計(jì)算成果

水泵出口設(shè)置立式內(nèi)膽式水錘消除罐（15m3×2-2.0MPa），多功能控制閥采用兩階段關(guān)閥方式：20s快關(guān)80%、100s緩關(guān)20%，總關(guān)閥時(shí)間120s。輸水管線壓力特征值及水泵停泵轉(zhuǎn)速值見表1，管線水錘壓力包絡(luò)圖見圖1，水泵停泵轉(zhuǎn)速圖見圖2。

表1 輸水管線壓力特征值及水泵停泵轉(zhuǎn)速值

4.成果分析

管線內(nèi)最大水錘壓力控制在1.5倍最大工作壓力以內(nèi)；最小水錘壓力為0m～-2.3m，管道水流不會(huì)被拉斷。停泵時(shí)水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速未超出水泵額定轉(zhuǎn)速，各項(xiàng)指標(biāo)均控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，計(jì)算成果合理。

5.結(jié)論

水泵出口設(shè)置立式內(nèi)膽式水錘消除罐，配合水泵出口多功能控制閥及沿線復(fù)合式進(jìn)排氣閥聯(lián)合運(yùn)用，可有效降低水錘壓力，使管道內(nèi)負(fù)壓控制在允許范圍之內(nèi)?？蓪︻愃乒こ添?xiàng)目的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。水錘計(jì)算涉及到的因素較多，建議在工程設(shè)計(jì)中，對水錘分析合理建模優(yōu)化設(shè)計(jì)?！?/p>

圖1 管線水錘壓力包絡(luò)圖

圖2 水泵停泵轉(zhuǎn)速