非洲地區供水工程水錘防護技術探討

趙佃龍

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

長距離管道鋪設、供電不穩定、供水系統維護不及時等因素，造成非洲地區供水設施和供水管道水錘現象頻發。適合特定工程環境下的非洲地區供水設施水錘防護技術值得研究。

本文結合筆者多年非洲地區供水工程建設經驗和體會，通過現象分析、機理研究、數值模擬以及防護技術應用效果分析，對適合非洲地區工程環境特點的水錘防護技術進行了分析和總結，可為非洲地區其他類似水務工程建設提供一定的借鑒和參考。

2 水錘現象及其危害

水錘現象普遍存在，對供水系統的危害較為嚴重，特別是在電力設施較為落后的非洲國家。由于停電事故頻發，致使供水水泵機組停止運轉，離心泵停車反轉，引發停泵水錘現象，經常造成管道“跑水”、停水。嚴重的水錘事故常常造成輸水管爆管、水泵和閥門破裂、泵房被淹，甚至造成人身傷亡等惡性事故[1]270。

在撒哈拉以南的非洲地區，許多城市由于水源性缺水需要長距離取水，因電力不穩定、管道供水設施老化加之維護不及時、不到位等原因，極易形成嚴重的高壓事故水錘。

水錘現象除了對供水管道和供水設施造成破壞以外，還會引發高額的供水系統維護費用，或增加民眾用水成本，或因財力不濟而無力維修，導致惡性循環。

3 水錘現象機理及常用防護措施

3.1 水錘現象機理

水錘現象非常普遍，其產生的主要原因是在供水中由于啟泵、停泵、快速啟閉閥門或改變水泵轉速，致使管道內水流速度發生急劇變化而引起失電停泵、輸水管道爆管。常年處在高溫狀態下的供水管道，也會因維護能力的欠缺、閥門生銹老化、水泵間歇性停車等引起事故水錘，造成嚴重破壞。

當管道中水柱連續時，水流壓力小于水泵工作水頭為正常壓力波動；當出現水柱中斷進而再彌合時，水流壓力急劇提升至大于工作水頭，稱作事故水錘。

斷流空腔再彌合水錘具有較強的破壞性。在水流水力過渡中某處管道的壓強比水溫汽化壓力低時，水流將發生汽化從而形成水蒸汽空腔，切斷水流水柱破壞其流動的連續性；當切斷的兩股水流水柱再重新相遇彌合時，兩股水流劇烈撞擊形成高壓沖擊力。

特別是在長距離供水、氣溫高、地形起伏變化較大的供水項目，在一條供水管線上同時發生多處水柱水流分離現象較為普遍。如果其發生在水泵出口附近位置，斷流彌合水錘的危害性更大，甚至造成水房被水淹沒的慘狀[2]。

3.2 水錘常用防護措施

根據不同類型的水錘現象，可通過運用不同的防護技術來緩解和消除水錘現象造成的危害和損失。

(1)用增大輸水管道管徑來降低供水管道中水流流速的方法，在一定程度可降低水錘壓力，但不利因素是因管徑增大而增加工程投資。

(2)供水管道的輸水管線位置設計時，要通過避免出現駝峰或坡度劇變，合理規避鋪設地形起伏變化較大的供水管線；盡量將管道沿線位置設計在最低壓力線以上，可防止水流水柱中斷。

(3)設置水錘消除裝置，通過設置水錘消除罐、組合式空氣閥、雙向調壓塔、緩閉止回閥、超壓泄壓閥、安裝管道止回閥等水錘消除裝置來抑制和緩解水錘現象[1]280。

(4)通過延長關(開)閥的時間Ts來防止關(開)閥水錘，對于長距離的供水管道系統，選擇關閥時間是防止管道水錘現象的一種非常重要技術。

(5)當水泵必須在空管狀態下啟動時，采用分階段開閥啟泵方式也可以防止和降低啟泵水錘造成的危害。

以上是幾種水錘防護技術。在經濟條件相同的情況下，可優先選擇:增加供水管道直徑和管道壁厚的方法；選用GD2較大的電動機，提高電動機功率；改變供水管路縱剖面的布置形式；對于大中型水泵站，安裝具有可兩階段關閉的止回閥、快開電動蝶閥在水泵出口處，可降低水泵倒轉幾率，防止供水系統的失水和管道沿線壓力升高現象[3]。

4 某項目水錘防護技術實例分析

4.1 項目背景及特點

筆者對坦桑尼亞姆萬扎市某供水項目的建設及運營情況進行了跟蹤研究，本項目的建成基本解決當地供水短缺問題。本文重點分析該項目的水錘防護措施及應用效果，主要工程內容包括:取水口、原水管道、原水泵房、凈水廠、清水主管線、山上水池(或水塔)、配水管網等。項目基本情況:設計供水能力為3 000 m3/d、原水管道長度410 m、原水管道管徑為DN250PN10、現凈水管道長度5 080 m、現凈水管道管徑DN200PN25、配水管網長度33 km。工程建設特點:環境溫度35℃左右，地形較為平坦，線路條件較好，電力供應不足，斷電頻繁，有必要進行水錘防護分析[4-6]。

4.2 未考慮防護措施時的工況模擬

實施前，我們對未加設水錘防護措施的工況進行了模擬分析，模擬結果顯示，不采取防護措施時，管道所承受的壓力變化較大，管道處在不安全的環境中。

圖1顯示在泵站內瞬間失電時，在止回閥處出現了明顯的壓力振蕩現象，在整個壓力波動過程中，泵停后最大壓力值超過3 MPa。管道全線有負壓情況出現，因此，水錘效應非常明顯，管線處在不安全的環境中，需要考慮對應的水錘防護措施。

圖1 未設置水錘防護措施的泵后壓力變化圖

圖2中顯示管道、水力坡降線及模擬停泵水錘工況中沿程管道每個點的最大及最小壓力，即壓力包絡線。

圖2 無保護狀態下的主管道壓力包絡線

4.3 泵站及管道參數

項目采用的泵站參數見表1，管道參數見表2。

表1 泵站參數

表2 管道參數

4.4 水錘防護方案的選擇

根據水錘模擬分析及計算，結合本項目環境特點，經過對常用水錘防護措施進行技術與經濟比對，在確定水泵選型和管道參數的情況下，本項目采用了設置兩種水錘防護裝置來減緩水錘沖擊的實施方案，具體為:在距離水泵出口大約5 m處安裝一臺內膽式水錘消除罐，管道沿線分別在0＋158、0＋548、1＋877、2＋547處安裝4臺組合式空氣閥。

4.4.1 內膽式水錘消除罐

內膽位于罐體底部或側面進出口處，內膽與罐內頂部相連，伸展后可占據整個罐體，從而實現更大壓縮空間達到內膽受力均勻、受力小的目的，氣體被壓縮在內膽和罐壁之間，內膽不會被拉伸。當罐內所有液體的體積占罐體容積10%～20%甚至更大比例時，液體排入管道系統后可避免系統出現負壓，水柱前進受阻后朝著水泵逆向返回，該裝置將重新注水。罐內空氣被壓縮時水錘波得到了有效的緩沖和抑制，該過程會反復多次，直到整個供水系統處于安全狀態。本項目采用了空氣體積0.2 m3，壓力0.77 MPa，容積為1.0 m3的內膽式水錘消除罐。內膽式水錘消除罐技術參數見表3。

表3 內膽式水錘消除罐技術參數

4.4.2 組合式空氣閥

該空氣閥安裝在供水管道中可防止空氣積聚于管道高點、邊坡拐點及道路/河流交叉處，防止供水系統的壓力波動和水錘事故。本項目采用了DN80PN25組合式空氣閥，組合式空氣閥進排口規格見表4。

表4 組合式空氣閥排氣口規格

4.5 采取防護措施后的工況模擬分析

圖3表明，在泵站失電時，泵站內水錘防護措施發揮作用后，可顯著減弱水錘效應，可將壓力波動控制在一個安全的范圍內，使得管道內的壓力在短時間內由動態較平穩地轉變成靜態，最終整條管道內壓力保持在0.4 MPa以下。

圖3 設置水錘防護裝置后泵后壓力變化曲線圖

項目采用水錘消除罐和組合式空氣閥聯用措施，通過模擬兩種裝置聯用工況來確定其防護效果。圖4中展示了受保護后的管道壓力包絡線，從圖中可知，整條管線受到有效全面的保護。

圖4 設置水錘防護裝置后的管道壓力包絡線

5 實施效果及技術創新展望

5.1 采取水錘防護技術后的效果分析

由于該項目水泵采用變頻啟動技術，因此正常停泵時不會產生水錘現象。經過上述水錘防護系統的模擬分析，水廠采取了水錘消除罐和組合式空氣閥兩種裝置聯合應用的方式組成的水錘防護系統。經過多年運行，水錘消除罐和主管線上所有組合式空氣閥全部運行良好，水錘防護效果顯著。

從泵房及管道沿線現場觀察來看，當人為隔離水錘消除罐，斷電停泵后由于水柱回流同時單向閥關閉，能聽到較為強烈的水流沖擊聲音，同時管道沿線組合式空氣閥有明顯的吸氣現象(用于抵消管道內的負壓)，供水管道的振動非常明顯；當水錘消除罐和組合式空氣閥全部正常運行時，斷電停泵后則聽不到水柱回流撞擊單向閥的聲音，同時供水管道的振動明顯減弱。由此說明，該水錘防護系統起到了明顯的水錘防護作用。

5.2 技術創新和展望

5.2.1 技術創新

結合本項目特點及非洲地區供水系統普遍存在水錘防護技術問題，筆者帶領團隊自主研發了一種水錘防護技術，設計了兩個連續的水錘緩沖裝置。該裝置包括三通管緩沖結構及擾流弧形結構組成，其特點是將三通管緩沖結構設置在距離水泵10～20 m的大口徑管道處，該結構內設置有壓縮氣體，當受到水錘沖擊時，壓縮氣體可抑制水錘帶給水泵的沖擊；擾流弧形結構設置在水泵50～70 m管道處，因該結構設置了一系列波浪式的擾流弧形塊，當帶有負壓的水流通過該結構時會釋放大量水錘沖擊力，從而有效緩沖水錘與供水管道之間的撞擊力，防止管道出現爆裂，該裝置對水泵與管道起到雙重保護作用。該裝置今后將會積極運用于其他非洲地區供水項目，并進一步驗證其應用效果[7]。

5.2.2 技術展望

(1)簡化水錘防護系統。采用集成設備簡化防護系統，降低占地面積。當前采用的單(雙)向調壓塔、水錘消除罐等占地面積較大，將來開發一體化多功能防水錘閥或其他設備代替這種占地面積大的設備，以減少投資，降低工程成本。

(2)智能化水錘防護系統。空氣閥、水錘消除罐、調壓塔、波動預止閥等水錘防護設備的操作智能化、可視化，手機APP可實時監控設備狀態，設置報警功能，壓力過高或過低時報警。

(3)水錘在線監控系統。采用SCADA系統及其他先進可視化技術，實現在辦公室大屏幕在線實時監控水錘防護效果和管線運行狀態。

(4)泵房安裝UPS。一旦發生斷電事故，UPS還能持續提供電源，使得變頻器繼續工作，從而緩慢降低水泵速度，最后達到正常停泵的目的，從而最大可能降低水錘的發生。

6 結束語

(1)采用水錘消除罐和組合式空氣閥兩種裝置聯合應用的方式組成的水錘防護系統對水錘現象的防護效果顯著，適合在電力供應不穩定的長距離供水管線項目中推廣使用。

(2)水錘現象在非洲地區供水工程中較為常見，如處理不當易造成管道破裂、設施損毀等破壞。水錘現象的防護可從管路規劃、系統設計、設備選型和防護裝置等多個環節加以綜合考慮。

(3)水錘防護技術及其裝置的一體化、智能化、可視化需進一步深入研究，以降低裝置安裝和調試難度，減少后期維護運營成本。