歐陽于藍(lán)　張恒

【摘 要】湖北省某21萬m3/d長距離輸水工程，輸水距離長且管道起伏較大，在取水泵房中加壓輸送，水泵揚(yáng)程63m，一旦發(fā)生停泵水錘事故會導(dǎo)致管道和設(shè)備的驟然炸破。以本工程為例，采用美國BENTLEY公司的水錘計算軟件HammerV8，建立管線水錘計算模型。分析結(jié)果表明，增加排氣閥、設(shè)置注氣微排閥和修改閥門閉合形式可以有效防護(hù)長距離輸水工程中的水錘危害。

【關(guān)鍵詞】長距離壓力輸水管道；Hammer；V8；停泵水錘；防護(hù)措施

引言：

長距離輸水工程管線長，管道起伏大，輸水安全性要求高，而水錘是影響長距離壓力輸水工程運行的一個重要因素，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在城市給水閥門和工業(yè)企業(yè)的給水泵站中，絕大部分水錘事故都屬與停泵水錘事故。水錘事故危害性很大，會導(dǎo)致管道和設(shè)備的驟然炸破。其中停泵水錘較其他類型水錘（關(guān)閥水錘、水泵啟動水錘和變速水錘等）危害更大，發(fā)生最普遍。因此本工程在對壓力系統(tǒng)水錘分析時只對停泵水錘進(jìn)行分析并提出防范措施。

1.工程概況

湖北省某長距離輸水工程，設(shè)計流量：20萬m3/d（考慮5%的沿程漏損和水廠自用水后為21萬m3/d），從取水泵房至水廠主要采用焊接鋼管，雙管并聯(lián)，單線長6.2km，管徑為DN1200，壁厚10mm；取水泵房設(shè)計地面38.5m，泵進(jìn)口約37.15米，原水引水管余壓約2.5-5m。水廠設(shè)計地面標(biāo)高97.5m，配水井水位標(biāo)高101.3m，原水進(jìn)水余壓1.0m。

2.模型建立

2.1應(yīng)用軟件簡介。本工程水錘分析軟件采用奔特力-海思德軟件公司的HAMMER軟件，該軟件將水錘效應(yīng)（waterhammer）的復(fù)雜原理結(jié)合成為簡單易用的工程工具，建模以節(jié)點和管段的穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果為基礎(chǔ)，協(xié)助水利工程師順利地進(jìn)行任何復(fù)雜的水錘水擊水力計算與設(shè)計。

2.2建模數(shù)據(jù)。水泵參數(shù)：4臺水泵并聯(lián)工作，3用1備。其中PMP-1及PMP-2水泵Q=2188m3/h、H=63m，電機(jī)功率560kW。PMP-3及PMP-4水泵Q=4375m3/h、H=63m，電機(jī)功率1000kW。PMP-4為備用泵。

根據(jù)取水泵房內(nèi)遠(yuǎn)期水泵配置和原水壓力管道平面方案布置圖及簡化的縱斷面圖，建立水錘計算模型。示意如下：

水錘計算模型示意圖（泵站部分）

管道縱斷面走向坡度較大，管線穩(wěn)態(tài)運行時水力坡降線如下圖所示：

管線近期正常運行時（穩(wěn)態(tài)）水力坡降線

由上圖可知，管線穩(wěn)態(tài)運行時泵后壓力最大為70m，管道沿線各節(jié)點壓力在70m水頭范圍內(nèi)，而設(shè)計中要求原水輸水管的安全可靠性較高，設(shè)計泵站后管道采用D1220X10鋼管，管線在遠(yuǎn)期21萬m3/d設(shè)計流量時可以保證在流量恒定的前提下安全運行，危及管線系統(tǒng)安全的潛在因素是由于事故停泵而引起的停泵水錘，這也是本設(shè)計關(guān)注的重點。

3.停泵水錘分析及防護(hù)措施

3.1水錘計算考察對象?？疾鞆脑O(shè)計起點（即取水泵房出水總管）到設(shè)計終點（水廠進(jìn)水配水井）之間的管段在水錘模擬時間內(nèi)產(chǎn)生的最高水錘壓力值的和最低水錘壓力值所形成的水錘包絡(luò)線。根據(jù)水錘包絡(luò)線判斷是否有超過管道承壓能力的現(xiàn)象，同時考察水泵是否有倒轉(zhuǎn)，倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及時間是否符合相關(guān)規(guī)定。

3.2水錘計算參數(shù)

3.3水錘計算結(jié)果分析：

⑴、未采取水錘防護(hù)措施時工況

單條管道沿線共設(shè)置2個DN100普通復(fù)合式排氣閥；在每臺SFWP80-400水泵的出水管上設(shè)置1個DN700普通止回閥，在SFWP80-600水泵的出水管上設(shè)置1個DN1000普通止回閥，停泵時迅速關(guān)閉。

將上述邊界條件輸入計算模型，得出如下圖所示的水錘包絡(luò)線：

未采取水錘防護(hù)設(shè)計水錘壓力包絡(luò)線圖

由上圖可知，一旦發(fā)生停泵水錘，管線最高自由水頭壓力值高達(dá)178mH2O（218m-40m），超過了管線設(shè)計的公稱壓力值1.2MPa（120mH2O），管線全程均出現(xiàn)大面積的負(fù)壓區(qū)，其中很大一部分管段有高達(dá)-12mH2O（40m-52m）的負(fù)壓，實際上水柱被拉斷氣化了，也就是產(chǎn)生了斷流彌合水錘，顯然不符合安全要求。

⑵、采取水錘防護(hù)措施后的工況

將管線沿線設(shè)置的4個DN100普通復(fù)合式排氣閥增加至16個，并將其中2個改成注氣微排閥（真空破壞與微量排氣復(fù)合閥），吸氣口徑100mm，排氣口徑10mm。另外將泵房內(nèi)每臺水泵后的普通止回閥改為可多階段關(guān)閉的液控蝶閥，分兩階段關(guān)閉，先快關(guān)，后慢關(guān)，共歷時55s，其關(guān)閉規(guī)律描述如下：

由上圖可知，當(dāng)采取適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施后，如果發(fā)生事故停泵，管線最高自由水頭壓力值約為0.9MPa，小于管線設(shè)計的公稱壓力值1.2MPa，而且全管負(fù)壓區(qū)范圍大大減小，負(fù)壓值也減小很多，最大負(fù)壓在-5mH2O的范圍之內(nèi)，基本沒有形成斷流彌合水錘，故方案可行。

另外，計算得出SFWP80-600水泵在計算歷時最大轉(zhuǎn)速為990rpm，最小轉(zhuǎn)速為-416rpm，SFWP80-400水泵在計算歷時最大轉(zhuǎn)速為1480rpm，最小轉(zhuǎn)速為-895rpm，雖然發(fā)生短時間水泵倒轉(zhuǎn)，但倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速未超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，滿足規(guī)范要求。

4水錘防護(hù)措施及建議

1、鑒于排氣閥在保證長距離輸水管道安全運行中起到的重要作用，建議工程在設(shè)計、施工過程中重視管道沿線排氣閥的設(shè)置，保證管線每一個較明顯的局部隆起點均設(shè)置有排氣閥，另外保證在較長的平緩管段每隔500～1000m也設(shè)有排氣閥，其中位于隆起點的排氣閥應(yīng)該采用具有高速和微量排氣雙功能的復(fù)合式排氣閥；另外要保證排氣閥的質(zhì)量，要求管道上安裝的排氣閥在充水過程中，無論管內(nèi)水流處于何種流態(tài)，都能夠打開大小排氣孔高速排氣；而在管線正常運行過程中，復(fù)合式排氣閥的大孔關(guān)閉，只有小孔在適當(dāng)?shù)臅r候自動打開微量排氣（只排氣不漏水）；所有排氣閥在管線處于負(fù)壓狀態(tài)時（如泄水檢修或由于水錘產(chǎn)生負(fù)壓時）能夠向管內(nèi)注入空氣消除管道內(nèi)的負(fù)壓。

2、本工程管道沿線共設(shè)置14個DN100復(fù)合式排氣閥，2個注氣微排閥，平均810米安裝一個，吸排氣口徑不小于100mm；在每臺水泵的出水管上設(shè)置1液控蝶閥，停泵時，該閥門分兩階段關(guān)閉。先快關(guān)，后慢關(guān)，總歷時不少于60s。

3、重視充水啟動過程，管道初次充水啟動應(yīng)控制充水流速不超過0.5m/s，密切關(guān)注沿線排氣閥的工作狀態(tài)，保證其排氣通暢。

4、輸水系統(tǒng)檢修或其它工況需要停泵時，應(yīng)按正常操作規(guī)程要求做到先關(guān)閥、后停泵，而不應(yīng)直接斷電停泵。

5、水泵出口液控蝶閥的關(guān)閉控制參數(shù)可在本計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并在實踐中摸索出更佳的控制值。