南京水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000

1 工程概況

南京市某污水管道工程，需要將某區(qū)域污水通過(guò)污水泵站調(diào)入污水處理廠，工程設(shè)計(jì)總規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，污水輸送距離為10km，一共設(shè)計(jì)兩條污水管線，左線為污水泵站至污水處理廠，采用一根DN1200壓力管，管道長(zhǎng)度為10km；右線為兼顧當(dāng)?shù)仄瑓^(qū)地塊需求，在過(guò)高鐵段后設(shè)置消能井，將一根DN1200壓力污水管釋放為d1800重力管，因此右線采用一根DN1200壓力管（污水泵站至壓力釋放點(diǎn)）和一根d1800重力管（壓力釋放點(diǎn)至污水處理廠），壓力管道長(zhǎng)度為7.5km，管線水力坡度為1.3‰。

該工程中污水壓力管的管材選用球墨鑄鐵管，設(shè)計(jì)流量為1.5m3/s，流速為1.33m/s，管壁厚度為13.6mm，管道采用聚氨酯涂層進(jìn)行防腐，表面經(jīng)過(guò)噴砂或拋丸處理，內(nèi)涂層厚度不小于900μm，外防腐涂層厚度不小于700μm。

該工程中泵站內(nèi)部安裝4臺(tái)潛水污水泵（包括1臺(tái)備用），每臺(tái)水泵的額定流量為1800m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為32m，額定軸功率為175kW，電機(jī)功率為220kW，額定效率77%，轉(zhuǎn)速為980r/min。集水池底標(biāo)高為-4.52m，工程設(shè)計(jì)壓力管最高點(diǎn)標(biāo)高為4.58m，靜揚(yáng)程為9.1m，泵站內(nèi)的水頭損失為4.5m，是典型的“長(zhǎng)距離、大流量、低揚(yáng)程”的污水管道工程。

2 水錘模型建立及基本參數(shù)

2.1 水錘模型建立

針對(duì)水錘造成的巨大危害，需要采取水錘防護(hù)措施，水錘計(jì)算可以為后續(xù)的水錘防護(hù)提供理論依據(jù)。其計(jì)算出的最大內(nèi)水壓力可以作為設(shè)計(jì)或校核管道強(qiáng)度的依據(jù)，而計(jì)算出的最小內(nèi)水壓力可以為防止壓力管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓提供依據(jù)。結(jié)合該工程資料，利用Bentley HAMMER V8i水錘模擬軟件建立水錘計(jì)算模型。

2.2 水錘基本參數(shù)

水錘波速是分析水錘問(wèn)題的一個(gè)重要參數(shù)，主要受管徑大小、管壁厚度及水的彈性系數(shù)等多種因素的影響。水錘波速的計(jì)算公式如下：

式中：L為管道的總長(zhǎng)度，m；α為水錘波速，m/s。兩段管段的長(zhǎng)度分別為7500m和10000m，則兩段管段的水錘相長(zhǎng)分別為13.5s和18.0s。

3 穩(wěn)態(tài)及停泵水錘計(jì)算結(jié)果

3.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

（1）泵站—壓力釋放點(diǎn)段管段中，管中高程最低點(diǎn)為K4+797，高程為-8.5m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)壓力水頭為17.61m；在K0+009點(diǎn)處，穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力水頭最高為19.30m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)水頭為19.30m，管中高程為0m；在管線末端點(diǎn)處，穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力水頭為0.12m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)水頭為4.50m，管中高程為4.38m。

（2）泵站—污水處理廠段管段中，管中高程最低點(diǎn)為K4+797，高程為-8.5m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)壓力水頭為20.29m；在K0+009點(diǎn)處，穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力水頭最高為22.01m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)水頭為22.01m，管中高程為0m；在管線末端點(diǎn)處，穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力水頭為0.50m，此時(shí)穩(wěn)態(tài)水頭為3.50m，管中高程為3m。

3.2 停泵水錘計(jì)算結(jié)果

（1）無(wú)防護(hù)條件下，泵站—壓力釋放點(diǎn)段的水錘計(jì)算結(jié)果顯示，管道全線最大壓力水頭出現(xiàn)在K0+319點(diǎn)處，為142.30m，是水泵出口額定壓力的7倍左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265—2010）規(guī)定的1.5倍，因此如果沒(méi)有任何防護(hù)措施，發(fā)生事故停泵時(shí)，管道正壓過(guò)大，容易發(fā)生管道爆裂。最小壓力水頭出現(xiàn)在K4+798點(diǎn)處，為-3.61m，負(fù)壓值較高，最大空氣容積達(dá)89770L，易發(fā)生斷流彌合水錘現(xiàn)象，不利于管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）無(wú)防護(hù)條件下，泵站—污水處理廠段的水錘計(jì)算結(jié)果顯示，管道全線最大壓力水頭出現(xiàn)在K0+319點(diǎn)處，為144.45m，是水泵出口額定壓力的6.4倍左右，最小壓力水頭出現(xiàn)在K6+172點(diǎn)處，為-4.24m，負(fù)壓值較高，最大空氣容積達(dá)37974L，易發(fā)生斷流彌合水錘現(xiàn)象，不利于管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 水錘防護(hù)計(jì)算

4.1 止回閥

止回閥是指依靠介質(zhì)自身流動(dòng)而自動(dòng)啟、閉閥瓣，用于防止介質(zhì)倒流的閥門。

未設(shè)止回閥時(shí)，停泵后，流量急劇下降，在6.8s時(shí)流量發(fā)生倒轉(zhuǎn)，在13s時(shí)倒轉(zhuǎn)流量達(dá)到最大值，為-2130m3/h，是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的1.18倍，最終穩(wěn)定在-980m3/h左右，水泵倒轉(zhuǎn)時(shí)間超過(guò)120s，不符合《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265—2010）的相關(guān)規(guī)定。設(shè)止回閥時(shí)，停泵后流量同樣迅速下降，在7.5s時(shí)，流量達(dá)到零點(diǎn)，不發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

未設(shè)止回閥時(shí)，停泵4s后，壓力水頭達(dá)到最高值，為0.829MPa，之后便降低至穩(wěn)定值。而設(shè)止回閥時(shí)，因止回閥的作用，水泵不發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但停泵后止回閥處的壓力較高，最高達(dá)到1.85MPa，且壓力變化較劇烈，這表明僅依靠普通止回閥雖然能夠解決水泵倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象的問(wèn)題，但是會(huì)使水錘壓力升高，不能有效解決水錘問(wèn)題。

針對(duì)上述情況，考慮采用兩階段緩閉止回閥，以防壓力太高或水泵倒轉(zhuǎn)流量過(guò)大。泵站停泵后，水流從正向流動(dòng)變?yōu)槟嫦蛄鲃?dòng)，為了減小關(guān)閉閥門帶來(lái)的水錘，采用兩階段關(guān)閉法逐步緩閉止回閥，可以合理設(shè)置兩階段的緩沖時(shí)間，通?？刂茷橄?0%左右快關(guān)，后10%左右慢閉，產(chǎn)生截流效應(yīng)，達(dá)到降低動(dòng)態(tài)水壓的目的。慢閉時(shí)間為50s時(shí)，閥后水錘壓力最小為0.825MPa，開(kāi)始倒轉(zhuǎn)時(shí)間隨著慢閉時(shí)間增加逐漸減小，最大倒轉(zhuǎn)速度沒(méi)有受慢閉時(shí)間影響。綜合多個(gè)因素，選定慢閉時(shí)間為50s，即選用公稱通徑DN1200的兩階段緩閉止回閥，5s快閉90%止回閥，50s緩閉10%止回閥。

4.2 空氣閥

空氣閥具有自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉的功能，當(dāng)壓力管內(nèi)水錘發(fā)生負(fù)壓時(shí)，空氣閥開(kāi)啟，使空氣進(jìn)入管道；而當(dāng)溫度或壓力變化，管內(nèi)空氣需要釋放出來(lái)時(shí)，空氣閥也能夠?qū)⒐軆?nèi)氣體及時(shí)排出，從而確保整個(gè)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行?？諝忾y進(jìn)氣量的計(jì)算公式如下：

式中：C為謝才系數(shù)，取值130m/s；S為管道坡度，取值1.3‰；D為管道內(nèi)徑，該工程中采用DN1200的管道。經(jīng)計(jì)算可得空氣閥進(jìn)氣量為1600L/s。

空氣閥排氣量的計(jì)算公式如下：

式中：Q水為管道的水流量，取值1.5m3/s。由式（4）可得空氣閥排氣量為30L/s。

經(jīng)計(jì)算，壓力值為1.4m時(shí)，150mm的吸氣口徑對(duì)應(yīng)的吸氣流量為1926L/s，滿足排氣量1600L/s的要求；壓力值為138m時(shí)，6.3mm的排氣口徑對(duì)應(yīng)的排氣流量為64L/s，滿足排氣量30L/s的要求。

4.3 兩階段緩閉止回閥與注氣微排閥聯(lián)用

將兩階段緩閉止回閥和注氣微排閥聯(lián)用于該工程管道布置中，進(jìn)行水錘模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，在止回閥和空氣閥聯(lián)用防護(hù)條件下，不管是左線還是右線，水錘正壓均顯著降低，停泵水錘最大水頭線幾乎與穩(wěn)態(tài)水頭線吻合，同時(shí)停泵水錘負(fù)壓得到了有效控制，管段全線大多為正壓，最低負(fù)壓控制在-2m范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)無(wú)防護(hù)停泵水錘的模擬分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，管道中無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)，管道運(yùn)行安全穩(wěn)定。無(wú)防護(hù)條件下，管道全線最大壓力水頭是水泵出口額定壓力的6～7倍，管道正壓過(guò)大，易發(fā)生管道爆裂。最小壓力水頭超過(guò)-3m范圍，負(fù)壓值較高，易發(fā)生斷流彌合水錘現(xiàn)象，不利于管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）通過(guò)設(shè)止回閥的水錘防護(hù)分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)普通止回閥能阻止水泵倒轉(zhuǎn)，但是會(huì)使水錘壓力升高，不能有效解決水錘問(wèn)題。采用兩階段緩閉止回閥，即5s快閉90%，50s緩閉10%，既能防止倒轉(zhuǎn)流量過(guò)大，又能減小閥后水錘壓力。

（3）針對(duì)空氣發(fā)的進(jìn)、排氣量計(jì)算，對(duì)空氣閥合理選型，確定采用吸氣口徑150mm、排氣口徑6.3mm的注氣微排閥，能夠滿足進(jìn)氣量1600L/s和排氣量30L/s的要求，在管線上合理選點(diǎn)分布，能夠較好地起到防止斷流彌合水錘的作用。

（4）選定兩階段緩閉止回閥和注氣微排閥聯(lián)用防護(hù)的方式，應(yīng)用到該工程中，結(jié)果表明，水錘防護(hù)措施既顯著降低了水錘正壓，又消除了水錘負(fù)壓，起到了良好的保護(hù)管線作用。