李青青，黃仕元，王艷輝，黃 筱

(南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

排水管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以重力流為主，不設(shè)或少設(shè)提升泵站。當(dāng)無(wú)法采用重力流或重力流不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用壓力流[1]。壓力污水管道具有附屬構(gòu)筑物少、埋深淺、管徑小、后期改擴(kuò)建方便、沖刷作用強(qiáng)、管線不宜堵等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此加壓排水系統(tǒng)在排水體制中占有的比重越來(lái)越大。在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面以實(shí)際工程為背景，對(duì)壓力污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)管徑管材、平縱斷面布置、附屬構(gòu)筑物、泵站設(shè)計(jì)、水力計(jì)算等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討[3- 8]；在管道施工管理方面，對(duì)壓力污水管道檢修、施工驗(yàn)收后期運(yùn)行管理等方面進(jìn)行了總結(jié)[9- 10]。壓力污水不同于重力流污水和壓力給水系統(tǒng)，其輸水過(guò)程是間歇性系統(tǒng)，水泵根據(jù)流量頻繁啟動(dòng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定容易出現(xiàn)啟停泵水錘[11]。水錘一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，在壓力輸水控制水錘的措施中包括合理選擇管材、閥門閉合時(shí)間和方式優(yōu)化、空氣罐和空氣閥優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中對(duì)空氣閥的研究居多[12- 15]，啟停泵水錘的防護(hù)措施將閥門開(kāi)啟在15%～30%為宜[16]。綜上可知，對(duì)于壓力污水管道的水力變化特性研究較少，本文以一維流體模擬仿真軟件Flowmaster對(duì)加壓排水管道中水泵啟停工況的水力特性進(jìn)行研究，為加壓排水管道的安全運(yùn)行提供設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某工業(yè)園市政工程項(xiàng)目新建加壓排水管道，主要收集企業(yè)污水，每個(gè)企業(yè)設(shè)置加壓泵站將本企業(yè)污水排入污水干管。干管全長(zhǎng)4 km，其中1 km長(zhǎng)的管徑是DN150，0.8 km是DN200，1.5 km是DN250，0.7 km是DN300。干管沿途共有8個(gè)納污口，每個(gè)納污口設(shè)計(jì)潛污泵，污水加壓送入污水干管，經(jīng)污水干管送入污水處理廠。其簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。

1.2 加壓排水系統(tǒng)水力計(jì)算

通過(guò)查找資料得到已知各企業(yè)的每日排放的污水量和企業(yè)地面標(biāo)高，對(duì)于未知規(guī)劃地塊區(qū)域，可根據(jù)GB 50282—98《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》、GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》，并參照其它類似園區(qū)的用水量標(biāo)準(zhǔn)，采用單位城市建設(shè)用地指標(biāo)確定本規(guī)劃區(qū)遠(yuǎn)期用水量標(biāo)準(zhǔn)；管段最大時(shí)流量為遠(yuǎn)期規(guī)劃地塊和目前運(yùn)行企業(yè)一起匯流時(shí)最大時(shí)流量，長(zhǎng)距離運(yùn)輸管段主要考慮沿程損失，局部水頭損失可忽略不計(jì)，沿程水頭損失計(jì)算公式如下：

(1)

式中，hf—沿程水頭損失，m；Q—管段最大時(shí)設(shè)計(jì)流量，m3/s;D—計(jì)算管徑，m；L—計(jì)算長(zhǎng)度，m；n—粗糙率，壓力管采用鋼管取值0.0120。

企業(yè)水泵所需揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

H=h0+hf+h流出

(2)

式中，h0—管網(wǎng)末端和企業(yè)吸水池之間靜揚(yáng)程，m；

圖1 加壓管網(wǎng)系統(tǒng)流程

節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)企業(yè)地塊最大時(shí)流量/(m3/h)管徑/mm長(zhǎng)度/m管段最大時(shí)流量/(m3/h)管段沿程水頭損失hf凈揚(yáng)程h0地面標(biāo)高水壓標(biāo)高mH2O水泵揚(yáng)程mH2O11#企業(yè)東方雨虹26.6415069526.641.406.4333.5760.9318.122#企業(yè)東方材料15.0215016541.660.816.7533.2559.6217.0233#規(guī)劃地塊一22.4820064364.141.626.5833.4258.7716.0444#規(guī)劃地塊二12.822003076.960.115.1634.8455.061355#企業(yè)IFF項(xiàng)目332501437109.963.234.2335.7754.7711.9666#企業(yè)上海崇耀44.4300166154.360.287.3832.6247.8211.8877#企業(yè)五星化工18.01300269172.370.568.1431.8646.7412.3688#企業(yè)順發(fā)化工29.99300934201.362.668.6631.3444.4412.319管網(wǎng)末端40411

表2 企業(yè)選取水泵型號(hào)參數(shù)

hf—管道沿程水頭損失，m；h安全—管網(wǎng)末端壓力釋放井流出水頭，取1m。管徑的確定通過(guò)選定流速，按下列公式計(jì)算：

(3)

式中，d—管內(nèi)徑，mm;Q—容積流量m3/h;v—流速m/s，取0.8 m/s。

整個(gè)壓力管道系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1，企業(yè)管段最大時(shí)流量以及自由水頭取決于各企業(yè)選泵情況，水泵型號(hào)和參數(shù)見(jiàn)表2。

2 模擬仿真系統(tǒng)的建立

本文研究壓力管道在正常運(yùn)行時(shí)，其中一臺(tái)泵在發(fā)生失電停泵、正常啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行三種工況在100 s內(nèi)水泵之間的相互影響情況以及最不利點(diǎn)的流速和壓強(qiáng)的關(guān)系，仿真模型示意圖如圖2所示。

2.1 管道模型的建立和參數(shù)的設(shè)置

Flowmaster中有6種管道模型分別是Cylindrical(圓柱形)、Rectangular(矩形)、Hexagonal(六角形)、Prismatic(棱形)、Rotating hose(旋轉(zhuǎn)管)、Internal duct(內(nèi)部管道)，壓力管道對(duì)壓力要求高，綜合水力最優(yōu)情況，最終選擇圓形鋼管Cylindrical Rigid pipe模型。在管道模型中輸入向相應(yīng)的管長(zhǎng)、直徑、絕對(duì)粗糙度即可進(jìn)行模擬，管道的沿程阻力計(jì)算有3種模型，見(jiàn)表3。

圖2 仿真模型

阻力模型層流狀態(tài)Re ≤ 2000過(guò)渡區(qū)域2000 < Re ≤ 4000湍流狀態(tài)Re > 4000Colebrook-White模型f=fl=64Ref=xft+(1-x)ftf=ft=0.25lgk3.7D+5.74Re0.9()[]2Hazen-Williams模型f=fl=64Ref=xft+(1-x)ftf=ft=1014.2Re-0.148C1.852HWD0.0184Fixed 固定系數(shù)fff

表4 設(shè)計(jì)值與模擬值比較

(1)Colebrook-White 模型

需要給出管路內(nèi)壁的表面粗糙度，在 Single Phase 穩(wěn)態(tài)計(jì)算用戶手冊(cè)中給出了典型材料加工工藝管路內(nèi)壁表面粗糙度的數(shù)值。

(2)Hazen-Williams 模型

在工業(yè)水供給及水分配處理行業(yè)常使用這種模型。

(3)Fixed Friction 固定摩擦系數(shù)

當(dāng)雷諾數(shù)Re≥106時(shí)，損失系數(shù)f漸漸趨于定值，這種方法減小系統(tǒng)模型的計(jì)算量。當(dāng)已知系統(tǒng)壓力梯度時(shí)，可以通過(guò)給定損失系數(shù)的方法對(duì)模型進(jìn)行校正，易導(dǎo)致計(jì)算發(fā)生收斂性問(wèn)題。需要注意的是，當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，這種方法易導(dǎo)致系統(tǒng)浪涌預(yù)測(cè)錯(cuò)誤。

本工程是工業(yè)排水領(lǐng)域的，根據(jù)阻力模型適用條件，選擇Hazen-Williams 模型。

2.2 污水加壓泵和吸水池模型建立和參數(shù)設(shè)置

Flowmaster數(shù)據(jù)庫(kù)提供的水泵模型有Mixed flow pump，jet pump， Radial flow pump，Axial flow pump等，本文選用Radial flow pump徑流泵模型，其需要設(shè)置的水泵相關(guān)參數(shù)有泵在額定轉(zhuǎn)速下的流量、揚(yáng)程、功率以及泵進(jìn)出口直徑。

Flowmaster中水箱模型有General Reservoir(普通水箱)、Constant Head Reservoir(固定高度水箱)、Variable Head Reservoir(變高度水箱)、Finite Area Reservoir(特定橫截面水箱)、Storage Vessel(存貯器)、2-Armed Tank(兩支路水箱)、3-Armed Tank(三支路水箱)、Thermal Expansion Reservoir(熱膨脹水箱)，本文污水收集池用Constant Head Reservoir模型，水箱需要設(shè)置的水位高度為企業(yè)對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高以模擬企業(yè)和管道末端之間的凈揚(yáng)程。

3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證模型建立的合理性，對(duì)壓力管道各加壓水泵流量穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果和理論設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，見(jiàn)表4?？梢钥闯鲈O(shè)計(jì)值與模擬值的總流量的誤差值約為2.3%，誤差較??；各企業(yè)污水加壓水泵的設(shè)計(jì)流量和模擬流量的最大誤差在9.8%，考慮實(shí)際管網(wǎng)中存在局部損失，誤差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明建模的邊界條件合適，能夠反應(yīng)污水壓力管道的實(shí)際運(yùn)行情況，可進(jìn)行壓力管道瞬態(tài)模擬分析。

系統(tǒng)模型建立以后，假設(shè)排水為不可壓縮流

圖3 兩臺(tái)泵停泵時(shí)流量及揚(yáng)程

圖4 兩臺(tái)泵開(kāi)泵時(shí)流量及揚(yáng)程

體，在Flowmaster中選擇Simulation type為瞬態(tài)模型Incompressible transient，Simulation date中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1s，仿真時(shí)間為100s，然后在不同工況下進(jìn)行仿真運(yùn)行。在實(shí)際壓力污水管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)水泵啟?？赡苁且慌_(tái)也可能是兩臺(tái)甚至多臺(tái)同時(shí)啟動(dòng)，考慮最大概率啟停的工況是一臺(tái)或者兩臺(tái)水泵，最不利情況為流量較大的水泵啟停時(shí)的工況。所有水泵正常運(yùn)行，3#和6#水泵在15s內(nèi)正常啟動(dòng)同時(shí)啟動(dòng)。通過(guò)Flowmaster分析在不同的工況下水泵開(kāi)停對(duì)其它水泵以及管網(wǎng)末端流量、流速壓力的影響。其結(jié)果如圖3—5所示。

從圖中可以看出，開(kāi)泵時(shí)系統(tǒng)的流量和揚(yáng)程波動(dòng)比停泵時(shí)的流量波動(dòng)幅度要大。在兩臺(tái)水泵同時(shí)停泵時(shí)系統(tǒng)流量波動(dòng)在30s趨于穩(wěn)定。當(dāng)3#和6#水泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，各水泵流量波動(dòng)更加在整個(gè)模擬時(shí)間100s都是上下起伏狀態(tài)。

在壓力排水系統(tǒng)中，開(kāi)泵和停泵是整個(gè)系統(tǒng)的流量和壓力產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，在各企業(yè)接入排水壓力管道處設(shè)計(jì)DN200的空氣閥，建立仿真模型，分析兩臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí)在設(shè)計(jì)空氣閥后各水泵的流量波動(dòng)情況，從圖5可以看出在設(shè)計(jì)空氣閥后，兩臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，其它水泵流量在20s就恢復(fù)到正常流量。兩臺(tái)水泵停泵及起泵時(shí)管道流速如圖6所示。

從圖6可以看出，起始端管道流速約0.5m/s，8#管道流速在0.9m/s左右，符合壓力管道的流速設(shè)計(jì)要求，對(duì)壓力污水管道的流速在0.5～2.0m/s之間，用此流速保證管道不淤積和防止沖刷，壓力管道最小管徑為100mm，是為了防止水錘的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

加壓排水系統(tǒng)中停泵和起泵工況的過(guò)度過(guò)程直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文基于Flowmaster軟件對(duì)加壓排水系統(tǒng)中不同工況進(jìn)行模擬仿真研究，結(jié)論如下：

(1)系統(tǒng)啟泵比停泵時(shí)水力波動(dòng)更加劇烈，兩臺(tái)啟停比單臺(tái)波動(dòng)劇烈，在各企業(yè)設(shè)置空氣閥可以較小系統(tǒng)流量波動(dòng)。

圖5 設(shè)計(jì)空氣閥后兩臺(tái)泵開(kāi)泵時(shí)流量及揚(yáng)程

圖6 兩臺(tái)水泵停泵及起泵時(shí)管道流速

(2)在進(jìn)行水泵選型后通過(guò)對(duì)Flowmaster的模擬結(jié)果壓強(qiáng)流速和流量分析進(jìn)一步驗(yàn)證水泵選型的合理性。

(3)本文只研究了較不利情況即流量較大的一臺(tái)和兩臺(tái)水泵的開(kāi)停工況，實(shí)際工程中可能多臺(tái)水泵同時(shí)開(kāi)停，有待進(jìn)一步研究。