高壓輸水管道系統的水錘防護分析

詹 芹，陳 博， 何 洋， 陳名泉

(1. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司成都分公司, 四川成都 610000;2. 成都市市政工程設計研究院，四川成都 610036)

1 工程概況

龍泉山城市森林公園位于四川省成都市龍泉山脈成都段，南北向綿延90 km，東西向跨度10～12 km，規劃面積1 275 km2。由于成都城市布局從原來的“兩山夾一城”轉變為“一山連兩翼”，龍泉山的總體定位也由原來的生態屏障升級為“世界級品質的城市綠心，國際化的城市會客廳”。

本工程為成都龍泉山城市森林公園配套輸水工程，該工程位于簡陽丹景鄉片區，為解決龍泉山該片區生活用水的需求，需要設置提升泵站進行供水。高位水池海拔高度約746.0 m，泵站場平高程約488.0 m，凈高差為258 m。本輸水工程的設計工藝流程如圖1所示。

①市政管網 — ②加壓泵站 — ③高位水池 — ④用戶

圖1 工藝流程

2 水錘防護分析

2.1 水錘的危害

由于輸水系統運行壓力高，水錘所引起的管道壓力變化較大，從數米到數十米的水壓不等，如不進行水錘防護，超高的水壓會對管道及配套設備產生極大的破壞力。水錘所導致的結果為水管破裂，安裝在管道的止回閥的上頂蓋或者殼體被高水壓損壞而大量漏水，造成供水中斷，不僅影響生活用水，甚至會導致較大的經濟損失。本項目所在的龍泉山片區為丘陵地區，管道沿線地形起伏點較多，當發生水錘而使輸水系統中水壓猛降時，管道的最低壓力線幾乎全部低于管中心線，導致管道內水柱分離，從而極易產生破壞性很大的斷流空腔再彌合水錘，就會導致管道爆裂等水錘事故的發生。因此，為了解決本項目水錘防護中水泵反轉和系統超壓(負壓)的問題，本項目利用美國肯塔基大學的KYPIPE SURGE 2010軟件對輸水管道系統進行建模分析，研究了不同工況下事故停泵水錘發生的特點，最終找到防治水錘經濟、安全的方法。

2.2 設計參數

本項目單臺水泵設計流量為Q=32 m3/h，設計揚程H=300 m，轉速為2 950 r/min，水泵為二用一備，水泵泵軸處標高為488.3 m、止回閥處標高488.3 m，末端接管標高746 m，水位標高746 m。吸水水箱水位491.6 m。止回閥采用增壓泵控制閥，口徑為DN100，流量系數Kv值取358，止回閥處靜高差257.7 m。輸水管道為單根DN150的無縫鋼管，海森威廉系數取130，主輸水管線總長約2524 m。

根據管道設計參數及輸送介質，利用水錘分析軟件計算水錘波速如下(管徑DN150壁厚選6 mm)。

水錘波速計算公式：

因為此工況水錘波是從管線末端開始反射，故：

水錘波速a=1316 m/s

故水錘相：u=2L/a=2×2524 /1316 =3.8 s。

2.3 系統流態分析

2.3.1 穩態流態分析

本次水錘防護分析利用SURGE 2010水錘分析軟件建立本項目高壓輸水管道系統的數學模型：

通過構建模型進行模擬，水泵實際運行揚程約為301 m，與水泵設計揚程偏差較小，水泵選型合適(圖2)。

圖2 穩態水力運行坡線

2.3.2 事故停泵水錘分析

2.3.2.1 無水錘防護措施

水泵工作在水位491.6 m時，在其穩態水力分析的基礎上，對因突然斷電導致的停泵水錘進行瞬態水力分析。根據以往經驗，水泵在1 s內斷電停泵，同時水泵出口處的止回閥不能正常關閉，這種水錘的破壞最嚴重。該工況是一種特殊工況，是其他工況計算及水錘防護措施分析的基礎，其特征量是水泵最大反轉轉速、最大倒泄流量及其相應的時間、管道中最大最小水錘壓力、以及在管道中是否產生過低的負壓引起水柱分離。無水錘防護措施的事故斷電停泵工況下，全線的水擊包絡線如圖3所示。

圖3 水擊包絡線

從圖3最大、最小包絡線看出整個輸水管線升壓不高，但管線后端負壓嚴重。水泵處的最大壓力為323.6 m。

由圖4～圖6模擬結果看，水泵最大倒流量較大，水泵最大反轉近3 300 r/min。從水泵倒流量變化圖可知，當系統在水泵因事故斷電突然停下來之后，泵后管線的流量下降，在斷電后2 s，其水泵流量為0，此時管道中水流可默認處于靜止狀態。若此時關閉水泵出口處的止回閥，其關閉并不會帶來“額外”的系統流量變化，因此并不會帶來額外的壓力升高，即水錘。若在其它時間關閉止回閥，只要不在水流速為零時關閉，則均會產生額外的流速變化，進而造成壓力波動，形成水錘。因此，本系統零流量的工況發生在2 s，此時間可對后續分析止回閥關閉的規律作參考。

圖4 水泵出口壓力變化

圖5 水泵倒流量變化

圖6 水泵反轉

2.3.2.2 水泵出水口設置止回閥

根據零流量點出現的時間，選擇止回閥關閉時間為2 s，通過加入止回閥關閉條件重新建模進行分析，得出如下結果(圖7～圖9)。

圖7 水擊包絡線

圖8 水泵反轉曲線

圖9 水泵倒流量變化曲線

從圖7最大、最小包絡線看出整個輸水管線升壓很高，且管線后端負壓嚴重。水泵處的最大壓力為457.5 m。通過增加止回閥，水泵不反轉，倒流量較小。而且通過水錘分析軟件的多次分析計算，止回閥關閥參數取值為2 s快閉95 %，15 s緩閉5 %為最優的關閥規律。

水錘是針對整個輸水系統而言，并不特限制于泵站。因此，止回閥常常不是解決水錘的唯一答案，設計人員必須進行全系統的通盤考慮，綜合解決。有些情況下水錘的發生遠在止回閥以外的管線上，僅在泵站增設止回閥就顯得無所適從。當非穩定流出現時(比如：水泵停運、關閥、管線破裂等)很有可能產生負壓，并以機械波的速率向管道其它部分傳遞。對本系統根據事故斷電停泵水錘分析計算，發現主要問題是事故停泵時，水力過渡過程中存在的負壓和汽化引起的水柱分離現象，其產生的主要原兇是嚴重的負壓引起水體汽化，而后在壓力波動的升壓過程中汽泡潰滅，水柱彌合，引發事故。水柱彌合即水蒸汽在瞬間還原成體積很小的液態水。由于同樣質量水蒸汽的體積遠大于液態水的體積，一個巨大體積的水蒸汽團在瞬間變成體積很小的液態水，將產生巨大的沖擊波，破壞設備。

這種現象的發生和發展將會導致兩方面的問題：①管道中長時間的負壓會引起管道和與之相連的水泵機組、閥門的氣蝕破壞；②如果管道前段水體放空，管路中出現水柱分離現象，管路中大量存氣，一方面造成水泵機組再次正常啟動的困難，二方面，如果在事故停泵過程中再次啟動水泵，由于管線中存在多處分離點，被水泵提起的水柱撞擊下游水柱，有可能產生大的壓力升高從而發生撞擊水錘事故。因此，對本輸水系統來說很重要的一環就是從避免發生嚴重負壓著手，應盡量消除管路中出現的水柱分離現象。

2.3.2.3 系統增設防水錘空氣閥

防水錘型空氣閥用于水泵出口及給水、排水管線中，在管路或容器壓力降低到大氣壓力以下很小負壓(-6.9 kPa)時就開啟，吸入大量的空氣，破壞真空；在恢復正壓時自動關閉高速孔口，不高速排氣，但將通過微量孔口(氣囊緩沖)緩慢排除高速吸進的空氣，起到保護輸水管路免遭“水柱拉斷型斷流彌合水錘”破壞的作用，用于消除斷流彌合水錘。

結合本項目的實際情況，本次擬在系統中加入4臺防水錘空氣閥后通過軟件進行模擬計算(圖10～圖12)。

圖10 設止回閥加空氣閥的水擊包絡線

圖11 設止回閥加空氣閥的水泵反轉曲線

圖12 設止回閥加空氣閥的水泵倒流量變化曲線

從上述模擬分析結果可知，整個輸水系統升壓仍然很高，但通過增加空氣閥，管線的負壓問題消除了。止回閥處的最大壓力為414.8 m，水泵不反轉，倒流量輕微。

2.3.2.4 系統增設水擊預防閥

從上述分析可知，輸水系統運行中的正壓還較高，泵站及管線上的水擊升壓需慎重考慮。因此，結合以往的設計經驗，需通過增設水擊預防閥對系統的超壓進行控制，以確保整個系統的供水安全。水擊預防閥可在各種設定工況下維持開啟，以保證系統壓力穩定。

根據GB 50265-2010《泵站設計規范》要求，最高水擊壓力不能超過工作壓力的1.3～1.5倍，又考慮到止回閥存在誤動作的可能，通過水錘分析軟件多次計算后，在泵站出水總管安裝水擊預防閥一套，同時設定壓力為：

泵站水擊預防閥高壓設定值：Pset1=315 m；

泵站水擊預防閥低壓設定值：Pset2=150 m；

泵站水擊預防閥高壓設定值：Pset3=320 m；

增設水擊預防閥后運用軟件進一步模擬(圖13～圖15)。

圖13 設止回閥加空氣閥加水擊預防閥的水擊包絡線

圖14 設止回閥加空氣閥加水擊預防閥的水泵反轉曲線

圖15 設止回閥加空氣閥加水擊預防閥的水泵倒流量變化曲線

從上述模擬分析結果可知，通過增設水擊預防閥后，止回閥2 s快閉95 %，15 s緩閉5 %，泵站附近水擊正壓得到很好的控制，整個管線加壓系統最高水擊壓力發生在止回閥處，泵站止回閥后最高水擊壓力為318.2 m，管道全線負壓水錘消除，水泵不反轉，止回閥處水擊升壓很小(僅僅升壓16 m)。滿足GB 50265-2010《泵站設計規范》最高水擊壓力不能超過工作壓力的1.3～1.5倍的要求，同時水泵不反轉，滿足上述規范要求水泵反轉速度不能超過額定轉速1.2倍，超過額定轉速的反轉時間不應超過2 min的要求，達到了水錘防護的目的，保證了系統的安全運行。

3 結論

(1)系統上若不采用水錘防護措施，輸水管道系統發生停泵水錘后管道系統升壓不高，但管線后端負壓嚴重，水泵急速反轉，對輸水管道系統和泵站的破壞很大。

(2)水泵出水口處增加止回閥后，整個輸水管線升壓很高，且管線后端負壓嚴重。通過增加止回閥，水泵不反轉，倒流量較小。

(3)系統中設置止回閥+空氣閥，管線的負壓問題消除，水泵不反轉，倒流量輕微，但升壓很高。

(4)系統中設置止回閥+空氣閥+水擊預防閥后，整個系統負壓水錘消除，水泵不反轉，止回閥處水擊升壓很小，同時滿足GB 50265-2010《泵站設計規范》的要求，且能保證整個系統安全運行。