淺談供水管線水錘壓力計算分析及預防措施

文/朱軼菲 徐秀生

本文作者朱軼菲供職于上海連成（集團）大連化工泵制造有限公司，徐秀生沈工泵（沈陽）集團有限公司。

本文結合某二期供水工程案例，總結管線模擬工況仿真分析計算以及水錘預防有效措施，對同類工程起到一定的借鑒與參考作用——國內某二期供水工程管道線路總長50?km,?工程起點為中法加壓站，終點為八面城配水廠。工程選用DN600~DN700球墨鑄鐵管，在管道上設置了液控止回蝶閥、排氣閥等。根據輸水管道布置情況，經對泵站進行水力過渡過程仿真計算，結果表明，水泵最高反轉速度不超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續時間不超過2?min；系統最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統任何部位沒有出現水柱斷裂，發生水錘時管線基本沒有負壓，個別點有負壓但很低，不致發生水柱拉斷現象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗壓力。

供水工程簡述

某供水工程管道起點為中法加壓站，終點為八面城配水廠。首部與中法加壓站泵站出口相連，尾部與昌圖八面城引配水廠清水池相連。總長約51 km。供水范圍為八面城鎮、曲家店鎮、平安堡鎮、大洼鎮、八面城鎮、朝陽鎮、四合鎮、老四平鎮、毛家店鎮、昌圖經濟開發區、泉頭鎮、雙廟子鎮、四面城鎮、鷺樹鎮、太平鎮以及下二臺鎮，如圖1、2所示。

圖1 供水工程管道路線圖

圖2 加壓站內水泵布置圖

中法加壓站引入八面城的二期供水工程設計供水能力為3.5×105m3/d。加壓站內水泵情況水泵共6臺，選用高效節能型中開式雙吸泵，如圖3所示。

圖3 高效節能型中開式雙吸泵

一期供水工程：總水量為560.26?m3/h供水范圍八面城鎮；水泵 2臺（Q=300 m3/h，H=30?m，P=45?kW），兩用一備，變頻；

二期供水工程：總水量為1?463.44m3/h， 供 水 范 圍 依 舊是八面城鎮。一期供水工程的水 泵 更 換 為 2臺（Q=300?m3/h，H=70?m，P=132?kW）， 與水泵2臺（Q=450?m3/h，H=70?m，P=160?kW）并聯運行，兩組水泵，每組都是兩用一備，變頻。

輸水管道靜態水力分析

調速范圍

中法加壓站引入八面城的二期供水工程設計供水能力 為 3.5×105m3/d， 管 材 為DN600~DN700球墨鑄鐵管，首部與中法加壓站泵站出口相連，尾部與昌圖八面城引配水廠清水池相連。總長約51 km。輸水管道上共設置了近50個排氣閥。全線采用球墨鑄鐵管，管道內徑為DN600~DN700 mm。管道公稱壓力為大于1.0?MPa，試驗壓力為工作壓力加 0.5 MPa即P+0.5MPa。

根據計算在水庫水位為最低水位時，考慮泵站損失和出水自由水頭，揚程在70 m左右。靜態計算所得的管線特性（考慮制高點影響）及調速水泵不同轉速的特性。同一臺泵，當葉輪直徑不變時，其性能可按以下公式換算。

按Q1/Q2=n1/n2，H1/H2=(n1/n2)2計算。按設計流量水泵轉速在95%可以滿足要求。根據水力計算水泵揚程受制高點控制，工況點不能右移，在水位上升時可再調低水泵轉速。調速范圍控制在85%~95%。

水錘模擬工況預防采取的措施

輸水泵站水擊預防采取的措施是：每臺泵出口設置DN700的液控緩閉止回蝶閥，在泵站出口總管上設置DN350水擊預放閥，輸水管道上設置排氣閥。

水錘分析時按水庫最低水位時的水力條件作為水錘分析的初始條件，目前基本采用美國肯塔基大學DonJ.Wood和JamesE.Funk教授編制的“帶控制水錘裝置的管網的非穩定流計算機分析”軟件及水錘和瞬態分析軟件，設定幾種情況進行。

管道系統中發生不正常情況時，如關閘、掉泵等，導致壓力與流量迅速變化，產生壓力波并發生傳播，形成不穩定流。壓力與流量間的變化關系與壓力波傳播方式有關，在此基礎上建立計算機模擬的數學關系式，編制軟件。

泵站水力過渡過程分析計算

計算軟件

泵站水錘計算采用水錘和瞬態分析軟件。其軟件的編制采用“波面方法”(WavePlanMethod)：泵站水力過渡過程分析計算需對穩態工況和出口設置兩階段關閉閥門的有水錘防護措施兩種工況分別計算。

計算結論

通過水錘和瞬態分析軟件計算顯示，2臺小泵（Q=300 m3/h，H=70 m，P=132 kW） 與 2臺大 泵（Q=450 m3/h，H=70 m，P=160 kW）并聯同時運行時，總輸水量穩態計算結果為Qh=1 623.6 m3/h，每天總輸水量Qd=38 966.4 m3/d。

水錘防護措施主要是水泵出口設置兩階段關閉控制閥及壓力管道上布置補排氣閥。經過對泵站進行水力過渡過程仿真計算，結果表明，水泵最高反轉速度不超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續時間不超過2 min；系統最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統任何部位沒有出現水柱斷裂，滿足相關規范要求。泵站采取的水錘防護措施基本可行，計算過程如下。

穩態運行工況

1.4臺水泵同時運行時，穩態的壓力線，如圖4所示。

圖4 4臺水泵同時運行時，穩態的壓力線

2.4臺水泵同時運行時，穩態的水力坡度線：如圖5所示，水力坡度線可以顯示水泵出口控制閥兩階段關閉運行工況。

圖5 4臺水泵同時運行時，穩態的水力坡度線

3.4臺水泵同時運行時，突然停泵兩階段關閉閥門的壓力線：泵站四臺機組運行時，事故使全部機組停機，閥門關閉規律采用兩階段線性關閉，其中0~5 s關80%，5~45 s全關。經計算，管線最大壓力為85 m，出現在管線15 km處，管線未出現水柱斷裂和汽化現象。

4.4臺水泵同時運行時，突然停泵兩階段關閉閥門水力坡度線，如圖7所示。

圖6 4臺水泵同時運行時，突然停泵兩階段關閉閥門的壓力線

圖7 4臺水泵同時運行時，突然停泵兩階段關閉閥門水力坡度線

結果分析

水錘防護措施主要是水泵出口設置兩階段關閉控制閥及壓力管道上布置補排氣閥。經對泵站進行水力過渡過程仿真計算，結果表明，水泵最高反轉速度不超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續時間不超過2 min；系統最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統任何部位沒有出現水柱斷裂，發生水錘時管線基本沒有負壓，個別點有負壓但很低，不致發生水柱拉斷現象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗壓力。滿足相關規范要求。泵站采取的水錘防護措施基本可行。

最后，根據輸水管道布置情況以及供水工程水錘采取的預防措施，對停泵水擊和間接水擊進行了分析，最后采取每臺泵出口設置 DN700液控止回蝶閥，可以通過預先時間設定，實現液控止回蝶閥緩閉，來消除水擊。

另外，在泵站出口總管上設置DN300水擊預放閥，來消除正壓水擊和負壓水擊，液控止回閥和水擊預放閥共同作用來保護泵站免于水擊的方案，在輸水管道上設置排氣閥以消除停泵水擊和斷流水擊，使管線正水錘壓力均小于管線試驗壓力。

結論

昌圖二期供水工程應用案例證明，水泵最高反轉速度要不超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續時間不超過2 min；系統最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統任何部位沒有出現水柱斷裂，發生水錘時管線基本沒有負壓，個別點有但是負壓很低，不致發生水柱拉斷現象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗壓力，泵站及管線水錘壓力控制在允許范圍內，工程所采取的水錘預防措施效果良好。

通過對管線模擬工況仿真分析與水力過渡過程仿真計算以及水錘預防等有效措施，能夠為同類供水工程提供一定的借鑒與參考。 ●