供水工程水力過渡模擬及水錘防護研究

瞿寧玲

上海威派格智慧水務股份有限公司 上海 200000

1 工程概況

1.1 工程簡介

A縣供水工程位于西北區(qū)域，以鹽環(huán)定揚黃水為供水水源，從大水坑南側蓄水池取水，通過5.985km的輸水管道輸水至泵站前池，再通過連續(xù)三級加壓泵站揚至A縣分水嶺高位蓄水管為區(qū)域自壓供水。本文主要研究A縣一級泵站前池至末端蓄水池的輸水系統(tǒng)。輸水總干管設計流量為194.03m3/s，輸水系統(tǒng)沿程長度共計11506.37m。該工程主要線路采用壓力供水方式，輸水系統(tǒng)起點與終點高差達到367m，輸水系統(tǒng)采用球墨鑄鐵管和pe管不均勻交替布置，沿線地勢起伏，管路系統(tǒng)內水力條件復雜。一旦泵組突然發(fā)生斷電事故，整個輸水系統(tǒng)很容易產生較為嚴重的水錘危害，嚴重威脅當地飲水工程的供水安全，因此為了保證該供水系統(tǒng)安全可靠運行、避免水錘事故危害，保證當地用戶放心用水，對本輸水系統(tǒng)在運行過程中可能出現的水錘問題進行預測分析，并確定合理可靠的水錘防護措施，從而減少經濟損失[1]。

1.2 水池基本資料

A縣一泵站水池進水設計水位為1528.85m，出水設計水位為1708.45m；二泵站水池進水設計水位為1704.8m，出水設計水位為1839.35m；三泵站水池進水設計水位為1835.7m，出水設計水位為1951.81m。

1.3 泵站技術指標

A縣一泵站將水輸送至二泵站，設計流量為194.0m3/h。泵站內共設2臺機組，一備一用，泵站出口通往A縣二泵站，總揚程為135.49m。A縣二泵站將水輸送至三泵站，泵站內共設2臺機組，一備一用，泵站出口通往A縣三泵站，總揚程為143.75m。A縣三泵站將水輸送至末端蓄水池，泵站內共設2臺機組，一備一用，泵站出口通往末端蓄水池，總揚程為125.27m。

表1 泵站技術指標數據表

2 水錘計算模型

A縣三級串聯增壓輸水系統(tǒng)由低位水池、泵站、輸水管道和末端高位水池等基本元素組成，依據工程的基礎數據構建輸水模型。該長距離供水管道管線起伏大，沿線地形落差大，整個管道布置有兩個明顯的高點并且上下游水池之間的高差達到73m，該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，各節(jié)點的壓力水頭值比較高。因此該長距離高揚程的供水系統(tǒng)一旦發(fā)生停泵水錘，后果將會非常嚴重。

3 停泵水錘計算分析與防護設計

3.1 無防護措施時水錘計算分析

在軟件中真實模擬一級泵站、二級泵站和三級泵站的水泵在正常運行5秒后同時發(fā)生斷電事故的場景，瞬態(tài)分析估算了水錘狀態(tài)下管道的壓力將會如何演變。從圖1可以看出，泵站下游-3000m位置和-5300m位置產生了負壓，最大負壓值達到了10m，即0.1MPa，超過了工程安全的一般性要求2m的負壓限值。一級至二級和二級至三級的爬坡管道上壓力發(fā)生了較大波動，泵升壓較明顯，并且有約20l的氣囊產生，沿線壓力有升高波動，但壓力升高幅度不是太大。結合上下兩條線上面的小紅線凸起部分消失時刻下，從下面部分看相同管線位置上沒有高壓產生，因此不會發(fā)生彌合水錘。

圖1 無防護措施下A縣供水管道系統(tǒng)剖面和水頭線圖

圖2 有防護措施下A縣供水管道系統(tǒng)剖面和水頭線圖

無防護措施下模擬分析結果顯示出，事故停泵時管道最大受壓值為0.81MPa，發(fā)生在管道3068m處，超過于此處的管道承壓能力0.48MPa的1.5倍，即本工程管道最大允許壓力水頭即0.72MPa。輸水管線中有多處水錘升壓段，主要指二級泵站前后部分管路、三級泵站前端瞬時壓力較高，達到管道穩(wěn)定狀態(tài)下壓力的 1.7 —1.9倍左右，超過規(guī)范要求的管道承受的壓力范圍（根據規(guī)范《室外給水設計標準GB50013-2018》，在長距離輸水設計中通常安全系數為工作壓力 1.3～1.5 倍）。這表明：事故停泵后在部分管道極大可能面臨超壓和負壓危害，為保證安全，必須采取相應的防護措施[2]。

3.2 水錘防護組合優(yōu)化設計

針對長距離、起伏大的輸水系統(tǒng)，為了防止系統(tǒng)出現水錘事故，在設計過程中，應合理選取水錘防護產品。目前水錘防護措施主要分為兩大類：一類是防止水錘壓力過高，傳統(tǒng)水錘造成的升壓現象；一類是防止水錘降壓過低及發(fā)生水柱分離。最終采用單一的水錘防護措施，還是聯合多種水錘防護措施綜合防護，這需要針對具體工況具體分析。本研究分兩階段比選確定出水錘防護設備的綜合方案。

3.2.1 液控蝶閥+超壓泄壓閥聯合防護（階段一）

針對無防護措施下停泵水錘模擬計算顯示的負壓和超壓現象，首先采用選擇蝶閥作為調節(jié)閥時，蝶閥對減小關閥水錘的效果最好。本輸水工程口徑主要選用DN100的超壓泄壓閥，臨界壓力設定為水泵的工作水頭的1.12～1.15倍，分別在三臺水泵口各安裝一個超壓泄壓閥，其中蝶閥關閥方案設計的不同，對系統(tǒng)的停泵水錘危害的防護效果也是不同的。本系統(tǒng)中蝶閥關閉采用60s、70s和80s兩階段關閉，一階段快關，二階段慢關，其中以水泵中水流開始倒流時的時間10s作為快關時間，剩下慢關。

設置超壓泄壓閥+液控蝶閥后：當采用60s、70s和80s兩階段關閥方案后，三種方案均略超出管道所能承受的最大壓力，整條管線在部分管段處出現負壓，在部分管段出現了汽化和水柱分離現象，其中具體工況參數見下表2。

A縣輸水液控蝶閥10s快關70%，60s全關和10s快關70%，70s全關工況下，二級和三級泵站間的管線的負壓現象沒有得到緩解，反而加劇了；10s快關70%，80s全關的工況和10s快關70%，70s全關工況下對無防護措施下泵端管道的水錘升壓前端管段的降低效果差不多，但10s快關70%，80s全關的工況比10s快關70%，70s全關工況對無防護措施下管線負壓現象負作用更小，更能保護管道的安全輸水。

考慮到整體超壓和負壓問題的環(huán)節(jié)效果，本研究選擇80s的兩階段關閥+超壓泄壓閥的防護方案，但在安裝兩階段關閥+超壓泄壓閥防護后輸水系統(tǒng)仍存在較大負壓，二級和三級水泵前端仍存在超壓現象，需采取其他水錘防護措施[3]。

3.2.2 液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐聯合防護（階段二）

通過大量試算結合工程經驗，本分析采用空氣罐直徑為300mm，為立式布置的封閉式的氣囊式空氣罐，其中局部水頭損失系數為1，采用氣體定律模型作為水箱計算模型，水頭損失比率為2.5，連接管直徑為DN300，空氣罐底標高為1706.40m。在一級泵站和二級泵站后管道設置空氣罐后，停泵水錘發(fā)生后，管道沿程最低壓力由-10.3m 提升至-4.8m，但仍不滿足-2m的負壓限制要求，故需采用更多的工程措施來消除管線中的負壓。

3.2.3 液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥聯合防護（階段三）

在液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐的聯合防護方案基礎上增設管路沿線的模擬三級泵站同時停泵的工況，由于二三級是管中泵，沒有前池進行緩沖，在瞬間停泵后，泵前產生了高壓，對于二級泵站，在泵前設置超壓泄壓閥及空氣罐。來緩解上游端的高壓，在泵后設置空氣罐及緩閉止回閥，來緩下游端的高壓。對于三級泵站，這里壓力并不太高，同樣可以設置泄壓閥、空氣罐及緩閉止回閥來進行高壓保護。二級泵站和三級泵站之間的管段產生了負壓，因為二三級泵站間的管段是爬坡段，關閥后低壓波造成了負壓，可以選擇在二、三級泵站間設置空氣閥或者調壓井來緩解負壓，但考慮經濟性及施工條件，一般建議采用空氣閥緩解局部負壓問題?？諝忾y一方面能夠避免形成的空氣囊減弱斷面過流能力;另一方面能夠避免極端工況時發(fā)生具有很強破壞性的斷流彌合水錘現象。

考慮防護設施采用空氣閥，空氣閥進氣孔徑采用100mm，出氣孔徑采用5mm，依據規(guī)范分別在輸水道樁號1+050、2+050、2+950、4+030、5+080、6+325、7+250、8+775處安裝一個空氣閥。

采用液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥進行停泵水錘防護后，最大壓力包絡線和穩(wěn)態(tài)水頭線幾乎完全重合，管道中二級和三級泵端的瞬時最大壓力也在工程規(guī)定的安全范圍內，管道的負壓已經完全消除，符合規(guī)范的要求，綜上所示，該聯合防護綜合方案能夠保證工程的穩(wěn)定運行[4-5]。

4 結論與建議

a.具有長距離、高揚程特點的多級串聯的輸水工程，相應的停泵水錘防護若采用單一防護措施效果不佳，需要通過比較優(yōu)選出最佳的水錘防護方案；

b.聯合水錘防護基礎方案中，三種兩階段液控蝶閥工況下，10s快關70%，80s全關的方案防護效果是最好的，但不能完全消除停泵水錘的危害；

c.對于本工程項目，在停泵水錘發(fā)生情況下，采用“液控蝶閥+超壓泄壓閥+空氣罐+空氣閥”聯合水錘防護綜合方案的消除效果最好。