農村供水工程突然斷電產生水錘計算分析

劉寶祥

(北票市長皋水利服務站，遼寧 朝陽 122109)

0 引 言

水錘是指正常運行的有壓供水工程，遇閥門過快關閉或突然停電時，由于慣性作用有壓水流產生往復周期性沖擊，并伴隨著壓力升降產生像錘子敲打一樣的現象[1]。閥門或者管道承受水錘作用產生的正壓，壓力過大則供水系統發生破壞；水錘產生的負壓可形成抽吸現象，由于壓力降低水流被汽化，形成的空氣腔對供水產生阻礙，若管道連接不嚴管外污水雜質，將被抽吸進入管道造成水質污染[2]。當被空氣腔阻斷的水流再度彌合時，兩水柱劇烈碰撞，并產生壓力很高且具有直接水錘特征的斷流彌合水錘，管道安全受到極大威脅[3-5]。

受建筑物或復雜地形條件等因素的限制，供水工程管線往往具有較大的變化起伏，其中最常見、最突出的問題就是如何防護好輸水管線安全。過快關閉管道末端閥門極易產生水力瞬變的情況，系統內壓力的劇烈升高或降低易造成管道接頭斷開、閥門破壞、甚至管道爆裂或壓癟等問題。目前，國內外學者深入研究了供水管道輸水和水錘防護技術，如Elliot等以韋納奇地區為例，通過模擬瞬態試驗和現場試驗提出了防止城市供水系統產生水錘的空氣閥；Streeter等提出了分段關閥法，以更好地控制水錘對整個供水系統的影響，這種關閥規律被廣泛應用于諸多實踐工程；高將等研究了超壓泄壓閥和調壓塔的工作原理、結構特征，并提出水錘防護的技術要點和邊界條件，通過對比分析提出超壓泄壓閥，以更好地控制管道壓力，此外調壓塔能夠有效降低或消除供水管路的正壓和負壓[6-8]。

近年來，北票市致力于農村供水升級改造、新建擴建、續建配套等工程建設，并制定了系統完善的運行管理體系，逐步實現了城市與農村全天不間斷的“同質、同源、同網”供水。然而，工程運行過程中經常發生停泵水錘，若不采取有效的措施極易造成閥門損壞、管道爆裂等，供水工程正常運行和供水安全受到嚴重威脅。據此，文章以北票市農村供水工程為例，深入探討了防水錘技術，旨在切實提高農村供水保證率。

1 研究方法

1.1 水錘計算理論

實際上，水錘就是非恒定的瞬時流動，可利用特征線法和非恒定流理論計算。根據相關資料，考慮利用Hammer水錘計算軟件處理，該軟件具有市場占有率高、人機交互好、適用范圍廣、計算精度高等優勢[9-10]。

1.2 計算方法

以北票市某農村供水工程為例，通過對水錘變化規律的充分研究，選擇安裝空氣閥、管道止回閥、液控止回閥和集成應用供水管網壓力監測技術，對相關數據利用Hammer軟件進行計算，從而構建防水錘技術體系。

2 實例分析

2.1 工程參數

1)以地下水為供水水源，山地、高坡地段布設輸水管道，經過輸水管道將一級泵站加壓后的水源輸送至凈水廠配水井。原水取水系統的時均流量為1850m3/s，日設計規模大高達20000m3/d。

2)以4臺型號D600-60×4的多級離心泵建設取水泵站，揚程H為220-240-260m，流量Q為660-600-500m3/d，水泵中心標高581.25m，轉速n為1 482r/min，電機功率N為580kw。正常供水時兩臺運行，最小、最大取水流量時實行一臺運行和三用一備運行。輸水管線選用耐壓等級為4.0MPa的兩根DN 550鋼管，管線總長為3 160m。在泵房底部對每根輸水管道各設一臺D108預放閥和D159泄放閥，預放閥和泄放法中心標高為580.5m、581.2m。

3)合理設計取水水位參數：水廠配水井水位810.0m、常年運行水位620.0m、校核洪水位650.0m、最低水位596.0m、正常蓄水位630.0m。

4)將12套快速排氣閥安裝于輸水管道系統內，分別安裝于管道連接處(2處)、管道駝峰點(3處)、橋管(1處)，同時將液控止回閥安裝于每臺水泵出口處，止回閥安裝于管道系統連接處。由于該供水系統位于地形起伏較大的山區，最大地形高差達210m，突然斷電產生的水錘所造成的危害巨大。

2.2 計算結果

該輸水系統發生水錘危害的主要點位有三個空氣閥位置-駝峰、橋管-管道膝部、預放閥或泄放閥-控制設備關鍵點、泵后液控止回閥-壓力最大點。系統正常運行有三泵部分雙管、三泵雙管、單泵單管、雙泵雙管4種工況，正常運行工況下突然斷電產生的水錘計算結果見表1。

表1 供水系統點位水錘計算

由表1可知，高峰供水工況下(工況3)泵后液控止回閥處出現最大壓力315m；設定預放閥和泄放閥控制壓力為280m，該條件下預放法和泄放閥將動作對泵站發揮相應的保護作用；三個駝峰處的空氣閥都將吸氣保護管道，以防管道形成抽氣作用及發生水流汽化。

該系統主要有預放閥與泄放閥、管道止回閥與液控止回閥、管道空氣閥三個水錘防護設施，并且每個設施所發揮的保護作用存在差異，當防護設施發生故障時經水錘計算可得出的結論如下：

1)空氣閥失效且駝峰處壓力<10m的情況下，水流將產生汽化形成氣阻現象，再度彌合管道斷流空腔形成水錘，并產生負壓抽吸作用，供水水質面臨著二次污染的風險，供水系統安全運行受到威脅。

2)三泵雙管運行工況下最小端管道止回閥失效時，突然斷電進行水錘計算，結果顯示泵后液控止回閥處出現最大壓力值350m，從而導致接頭處產生漏水。

3)預放閥和泄放閥同時失效時，設置的泄放閥和預放閥都失去保護泵站的作用。突然斷電時，對三泵雙管運行工況下產生的水錘進行計算分析，結果顯示泵后液控止回閥處出現最大壓力值360m，從而使得接頭處產生漏水。

4)最下端管道止回閥、預放閥和泄放閥都失效且有一段管道關閉時，突然斷電時，對最不利情況(三泵部分兩管運行工況)下的水錘進行計算分析，結果顯示泵后液控止回閥處出現最大壓力值480m，管道接頭出現脫位對管道安全運行構成威脅[11-12]。

3 結 論

文章以北票市農村供水工程為例，通過計算分析突然斷電產生的水錘，得出的基本結論如下：①對于地形起伏較大的山區有必要設置相應的空氣閥、止回閥等防水錘設施，防水錘設施的布設對供水管道防護發揮著重要作用。②加快制定切實可行的巡檢制度，供水管理部門要對空氣閥、止回閥等防水錘設施進行定期巡檢，以防空氣閥失效形成抽吸作用和水流汽化，以及預放閥、泄放閥和止回閥同時損壞時無法保證系統的安全運行。③該供水系統的泵站運行揚程處于200-240m范圍，正常運行工況下發生停泵水錘時，結合液控止回閥最大壓力300m合理確定預放閥、泄放閥控制壓力為280m，由此以來既不會頻繁動作又能有效保護系統。