淺析水錘現(xiàn)象對(duì)泵站和輸水管道的影響與防護(hù)

師俊萍

（渭南臨渭區(qū)渭北飲改水工程管理局 陜西 渭南 714000）

1 渭北安全飲水區(qū)基本情況

渭北安全飲水區(qū)主要位于渭河以北的官底鎮(zhèn)、下吉鎮(zhèn)、吝店鎮(zhèn)、憑信鄉(xiāng)、交斜鎮(zhèn)、南師鄉(xiāng)、故市鎮(zhèn)、周家一帶，是臨渭區(qū)糧棉油果菜等糧食和經(jīng)濟(jì)作物的主要產(chǎn)區(qū)。為了使該區(qū)廣大群眾盡快飲用上干凈衛(wèi)生的自來水，臨渭區(qū)實(shí)施了渭北移民安置區(qū)飲改水工程，工程規(guī)模為15421m3/d，水源位于臨渭區(qū)龍背鄉(xiāng)永豐村附近，該區(qū)供水系統(tǒng)分東、西兩條干管線，沿途加壓并呈樹枝狀供水到163個(gè)自然村，鋪設(shè)輸水管道48.5km，配水管道328.2km，村鎮(zhèn)以下管網(wǎng)為83km。該區(qū)西支線泵站包括渭陽(yáng)泵站、周家泵站、下吉泵站，東支線包括南師泵站和侯家泵站，做好這些泵站的安全運(yùn)行，關(guān)鍵要研究水泵產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，這對(duì)輸水線路的管理與運(yùn)行顯得十分重要。

2 侯家-南師輸水管道水錘研究思路

該輸水管是飲水區(qū)工程?hào)|支線的一條重要輸水管道，因東支線侯家輸水管線沿線高程變化較小，故對(duì)該管路進(jìn)行水錘計(jì)算與分析具有典型代表作用。研究管道水錘的主要內(nèi)容有：設(shè)計(jì)流量下的停泵水錘計(jì)算分析，計(jì)算整個(gè)管路系統(tǒng)在只裝緩沖排氣閥時(shí)的管路壓力變化情況，分別在關(guān)閉緩閉止回閥閥門歷時(shí)120 s、180 s、360 s的情況下進(jìn)行管路壓力變化的研究。并結(jié)合管線最大、最小水錘壓力包絡(luò)線，對(duì)本系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的關(guān)閥水錘問題進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，最后確定該系統(tǒng)水泵關(guān)閉緩閉止回閥閥門方案，并探索其水錘防護(hù)措施，保證該系統(tǒng)水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 相關(guān)參數(shù)的選定

3.1 東支線基本技術(shù)參數(shù)

東支線單管設(shè)計(jì)流量0.195m3/s。進(jìn)水口水位為344.8 m，輸水管末端出水口管軸心標(biāo)高為354 m。該處泵站安裝單級(jí)單吸管道離心泵KQL 200/370-55/4（z）型共4臺(tái)。其中3臺(tái)正常運(yùn)行，1臺(tái)作為備用水泵，供水流量為196m3/h，揚(yáng)程48 m，配套電機(jī)Y 2-250 M-2，P=55kW。KQL125/370-22/4型共3臺(tái)，其中2臺(tái)為正常運(yùn)行設(shè)備，1臺(tái)為備用，供水流量為56.4m3/h，揚(yáng)程46 m，配套電機(jī)Y 2-180 M-2，P=22kW。水泵額定揚(yáng)程為HN=48 m，水泵額定流量為QN=196m3/h，水泵額定效率為PN=81%，水泵額定轉(zhuǎn)速為NN=1480 r p m/min，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J)為電機(jī)J m=0.312 kg·m2。

3.2 水錘波傳播速度

根據(jù)水錘波速理論計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，鋼筋混凝土管道水錘波速為a=600m/s。

3.3 管道摩阻系數(shù)

傳統(tǒng)的水力摩阻系數(shù)大都是基于某一特定的流態(tài)而導(dǎo)出的。為了滿足計(jì)算的需要，我們假設(shè)管路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，利用達(dá)西-魏斯巴赫公式計(jì)算管道摩阻系數(shù)：

式中，l—管長(zhǎng)；d—管徑；

v—斷面平均流速；

g—重力加速度；

λ—沿程摩阻系數(shù)。

根據(jù)工程實(shí)際情況，管材為鋼筋混凝土管道，管徑600mm，根據(jù)給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)中的管道摩阻計(jì)算公式，進(jìn)而得到此工程的摩阻系數(shù)：?jiǎn)喂芰髁繛?.1947m3/s時(shí)，管徑600mm的沿程水頭損失為0.615 m/km。

3.4 水錘計(jì)算與分析

水錘是管道流速變化帶來的壓力變化，是以機(jī)械波的形式傳遞的。

水錘計(jì)算的公式：△H=△V×C/g

式中，△H——壓力升高；

△V——水流速度的變化率；

C——水錘波的波速；

g——重力加速度。

通過上述公式可以看出：水錘波速愈大，在同樣水流速度變化的工況下，水錘就愈大，即壓力變化也愈大。在實(shí)際當(dāng)中，機(jī)械波(此時(shí)即壓力波)要小于理論值，它與管道的彈性有關(guān)系，在鋼筋混凝土管道中則為250m/s～500m/s。在緩沖排氣閥閉合流速確定的情況下研究其緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間，分析該管道產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，主要是將水泵緩沖閉合流速分為0.3m/s和0.5m/s兩種情況進(jìn)行分析對(duì)比，每種調(diào)節(jié)緩閉止回閥快關(guān)分為10 s和20s兩種情況，全關(guān)分為120 s、180 s、360 s三種情況分別考慮。

經(jīng)過計(jì)算與觀測(cè)，參照同類泵站相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，查閱該時(shí)間點(diǎn)管中心樁線最高包絡(luò)圖和最低包絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。

由表1可見，其緩沖閉合流速在0.3m/s～0.5m/s內(nèi)任意取值，突然停泵時(shí)管路前段升壓都比較大，調(diào)整緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間并不能控制水錘升壓。經(jīng)過比選，在緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間為快關(guān)20 s、全關(guān)360 s，其緩沖閉合流速為0.5m/s的情況下，最高為652m/s，最低為340m/s，升壓值較小。

表1 各時(shí)間點(diǎn)管中心樁線最高包絡(luò)圖和最低包絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)

4 水錘防護(hù)方案的對(duì)比

4.1 水錘防護(hù)方案的提出

從理論上講，減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機(jī)械波的傳遞速度，系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會(huì)減弱，水錘就能得到控制。通過這個(gè)理論可以發(fā)現(xiàn)：防止水錘升壓有三種途徑，一是排凈管道氣體，保證任何狀態(tài)下都不產(chǎn)生氣囊運(yùn)動(dòng)型斷流彌合水錘。二是用氣壓罐及其同樣類型的穩(wěn)壓吸壓裝置直接吸納或消滅水錘升壓波。三是用雙向調(diào)壓塔吸收升壓波。

4.2 水錘防護(hù)方案的優(yōu)化對(duì)比

方式一通過采用性能良好的恒速緩沖排氣閥實(shí)現(xiàn)正常排氣。方式二造價(jià)甚高而在工程上難于應(yīng)用，目前在國(guó)外的工程上應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用較少。方式三是將管道內(nèi)的壓力降到規(guī)定范圍內(nèi)。從安全和經(jīng)濟(jì)方面考慮，即在水泵出口處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，一旦管道中壓力降低，調(diào)壓塔迅速向管道補(bǔ)水，進(jìn)而防止管道中產(chǎn)生負(fù)壓；當(dāng)管路中水錘壓力升高時(shí)，它允許高壓水流流入調(diào)壓塔中，從而起到緩沖水錘升壓的作用。也就是在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，保證管路安全運(yùn)行，這是一種兼具注水與泄（排）水緩沖式的水錘防護(hù)設(shè)備。然而雙向調(diào)壓塔在工程應(yīng)用中也存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即其高度必須高于等于其設(shè)置處管道的最高水壓線。如果管道壓力很高，就需要設(shè)置雙向調(diào)壓塔，但此時(shí)水壓線很高，故雙向調(diào)壓塔也很高，常高達(dá)幾十米甚至數(shù)百米，所以說要根據(jù)高點(diǎn)排氣的原理以及工程經(jīng)驗(yàn)，在水泵出口處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，4.3管道上水錘防護(hù)措施

在該管路中，每隔800 m～1000 m設(shè)立樁號(hào)，在這些樁號(hào)安裝緩沖排氣閥，這樣就克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，也做到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的，所以通常選用這種方式。

5 結(jié)論

在候馬-南師管道現(xiàn)有的樁號(hào)分別安裝18個(gè)緩沖排氣閥，流速保持在0.5m/s，關(guān)閥時(shí)間為快關(guān)20 s、全關(guān)360 s，這時(shí)水錘變化相對(duì)較小，可以有效減少水錘的產(chǎn)生，但是僅靠調(diào)整緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間，并不能徹底控制水錘升壓，在水泵出口處加裝箱式雙向調(diào)壓塔，每隔800 m～1000 m安裝緩沖排氣閥，進(jìn)而有效控制水錘升壓，保證管道運(yùn)行安全。