欒俊亮，伏世紅，宿 祺

（1大連市水利建筑設計院，遼寧 大連 116021；2.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

0 序 言

對于長距離輸水管線工程而言，如果遇到斷電導致水泵停車或閥門突然關閉等極端破壞情況，會引起管道內流速急速的變化，從而導致管道內水流壓強劇烈的升高或降低，為避免事故水錘時超過管道的承壓能力及管道內產生負壓破壞，因此需要事先進行水錘數(shù)值模擬分析計算來進行分析并采取相應技術措施。

水錘防護的主要目的是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生并將水錘危害程度降到最低。前者要求運行管理者使輸水系統(tǒng)保持正常工況；后者要求設計者事先制訂水錘防護策略，運行管理者及時采取相應的水錘防護措施。

1 工程概況與基礎數(shù)據

太平灣供水工程輸水線路長度17.75 km，輸水規(guī)模為10.80萬m3/d，輸水管線采用2根DN900鋼管雙線輸水，管線首部與東風水庫壩下加壓泵站相連，末端進入新建凈水廠。工程近期采用改造現(xiàn)有泵站方式輸水，輸水量為5.40萬m3/d，水泵采用2用1備方式，單臺水泵設計流量為1125 m3/h，揚程38.30 m；遠期水源來自碧流河水庫重力流4.30萬m3/d和東風水庫6.50 m3/d，采取兩條管線獨立供水方式輸水，并需要自東風水庫壩下新建加壓泵站，3用1備，單泵設計流量902.78 m3/h，揚程44.20 m。

這次水錘試驗針對源水輸水管線設計情況進行數(shù)值模擬分析，做出綜合結論，以確認是否有必要采取進一步的技術措施，保證供水安全性。文中所做的分析內容如下：

1）穩(wěn)態(tài)分析。結合管線運行方式，分析、校核管線設計承壓能力是否達到設計要求。

2）水錘計算分析。結合所選水錘防護設備，分析空氣閥、兩階段閥、調壓閥、抗水錘氣壓罐、超壓泄壓閥等設備對泵站及輸水管線的水錘防護效果。

該工程近期改造泵站供水量為5.40萬m3/d，遠期新建泵站供水量10.80萬m3/d。

2 水錘防護設備

水錘防護設備選擇是水錘分析計算的主要目的之一。水錘防護有兩層含義，第一層含義是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生；第二層含義是將水錘危害程度降到最低。根據當前水錘防護的技術水平和通用防護措施，從水錘防護設備的可靠性、管理方便、制造工藝水平、自動化程度等角度綜合考慮后，工程水錘有效的防護設備主要采用空氣閥、兩階段閥、超壓泄壓閥和抗水錘氣壓罐。

3 水錘分析

1）水錘分析依據。（CECS193-2005）《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）工程技術規(guī)程》中，提到“水錘防護措施設計，應保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍的最大工作壓力。壓力輸水管線，事故停泵后水泵反轉速度不應大于額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續(xù)時間不應超過2 min?！惫仕N分析最大壓力不得超過1.5倍承壓能力。

2）事故停泵全線無水錘防護設備水錘模擬。對管線進行事故停泵全線無水錘防護設備水錘模擬計算，通過分析計算可知：全線最大壓力（自由水頭）均未超出1.5倍承壓能力，但各工況管線負壓嚴重，會發(fā)生水柱分離，不滿足水錘防護要求，管道會產生負壓破壞，因此泵站內及管線需要增加水錘防護設備。

3）事故停泵全線有水錘防護設備水錘模擬。在設置空氣閥基礎上，通過設置各種水錘防護設備進行全線事故停泵水錘防護模擬。

當水泵出口處設置兩階段閥時，通過第一階段快關和第二階段慢關來進行水錘防護。根據多種關閥方案模擬，比選出最佳關閥時間：改造泵站（雙線運行）工況第一階段快關（關閉70%開度）30 s，第二階段慢關40 s（關閉30%開度）。新建泵站（單線運行）工況第一階段快關（關閉70%開度）25 s，第二階段慢關25 s（關閉30%開度）。

通過計算分析可知：①改造泵站（雙線運行）工況下通過兩階段閥，可以有效緩解管線負壓問題。事故停泵時全線最大壓力（自由水頭）均小于1.5倍承壓能力，水泵轉速以及水泵閥后壓力滿足要求；全線負壓滿足要求，該方案滿足水錘防護要求。②新建泵站（單線運行）工況下兩階段閥不能有效緩解管線負壓問題，局部管線負壓嚴重，出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，不滿足水錘防護計算要求，因此需在此基礎上增加水錘防護設備，以保證管線安全運行。

為解決新建泵站（單線運行）工況管道負壓問題，結合本工程特點及以往計算分析經驗，需設置抗水錘氣壓罐等水錘防護設備，用以消除管線負壓，保證供水安全。

4 水錘防護設備分析及建議

1）根據管線地形及水錘防護計算結果綜合分析，建議適當調整空氣閥位置及口徑。即空氣閥總數(shù)不變，對位置進行適當調整，口徑采用DN80。其中20處復合式空氣閥，7處三級緩排式空氣閥。在管線坡峰處設置三級緩排式空氣閥，在管線起伏不大處設置復合式空氣閥。

三級緩排式空氣閥，即將低壓排氣過程分為兩個階段：低壓差時全速排氣，較高壓差時限制排氣速度。消除水錘等特殊工況下因全速排氣而產生的斷流彌合水錘。與復合式空氣閥相比，閥體多增設一個緩沖裝置，可以控制管道沖水時或水柱彌合時的排氣量，以減少水力沖擊的影響，平穩(wěn)的關閉氣閥。一般設置在易發(fā)生水錘現(xiàn)象或水柱拉斷的管道高點處。

復合式空氣閥，即沒有緩排功能的組合式空氣閥。是低壓進排氣閥和高壓微量排氣閥的組合體，同時具備高壓微量自動排氣和低壓進排氣功能。一般設置在管線平坦段或管線起伏不大處。

全線空氣閥主要口徑為DN80，即有效進氣口口徑為75 mm，有效排氣大口口徑75 mm，有效排氣小口口徑（緩排口徑）15 mm，排氣大口口徑與排氣小口口徑轉換壓力為0.2 m水柱。

2）在新建泵站水泵出水母管處設置1個氣壓罐，體積5.0 m3，充存壓力20 kPa，承壓能力1.2 MPa。

3)在各水泵出口設置兩階段閥，口徑DN400。改造泵站關閥時間前30 s關閉70%，后40 s關閉30%；新建泵站關閥時間前2 s關閉70%，后25 s關閉30%。

4）《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）工程技術規(guī)程》規(guī)定“超壓泄壓閥一般應設在泵站出水總管起端、重力流輸水管末端的關閉閥上游?！币虼?，經計算分析，建議在水泵出水總管起端安裝超壓泄壓閥，作為水錘后防護，以保證管線安全運行。泄壓閥口徑DN200，超壓泄壓閥動作值99 m。

5）由于管線近期、遠期運行工況不同，因此需針對兩根管道流量及減壓情況選取不同減壓閥。即近期安裝2個DN400減壓閥（一根管線一個），恒壓式減壓閥，即保證出口壓力恒定為7.85 m；遠期更換泵送流管道不需要減壓，更換減壓閥為閘閥；重力流管道減壓閥正常運行。

5 結 論

通過對輸水管線的最不利運行情況進行了水錘數(shù)值模擬分析，結果表明數(shù)值模擬可以較好的計算出水錘發(fā)生時管道最大壓力及負壓破壞情況。結合實驗數(shù)據設置空氣閥、超壓泄壓閥等水錘防護設備，可以達到消除管道負壓的效果，從而保證供水管線的安全運行。