詹 芹，陳 博， 何 洋， 陳名泉

(1. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司成都分公司, 四川成都 610000;2. 成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610036)

1 工程概況

龍泉山城市森林公園位于四川省成都市龍泉山脈成都段，南北向綿延90 km，東西向跨度10～12 km，規(guī)劃面積1 275 km2。由于成都城市布局從原來(lái)的“兩山夾一城”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙簧竭B兩翼”，龍泉山的總體定位也由原來(lái)的生態(tài)屏障升級(jí)為“世界級(jí)品質(zhì)的城市綠心，國(guó)際化的城市會(huì)客廳”。

本工程為成都龍泉山城市森林公園配套輸水工程，該工程位于簡(jiǎn)陽(yáng)丹景鄉(xiāng)片區(qū)，為解決龍泉山該片區(qū)生活用水的需求，需要設(shè)置提升泵站進(jìn)行供水。高位水池海拔高度約746.0 m，泵站場(chǎng)平高程約488.0 m，凈高差為258 m。本輸水工程的設(shè)計(jì)工藝流程如圖1所示。

①市政管網(wǎng) — ②加壓泵站 — ③高位水池 — ④用戶(hù)

圖1 工藝流程

2 水錘防護(hù)分析

2.1 水錘的危害

由于輸水系統(tǒng)運(yùn)行壓力高，水錘所引起的管道壓力變化較大，從數(shù)米到數(shù)十米的水壓不等，如不進(jìn)行水錘防護(hù)，超高的水壓會(huì)對(duì)管道及配套設(shè)備產(chǎn)生極大的破壞力。水錘所導(dǎo)致的結(jié)果為水管破裂，安裝在管道的止回閥的上頂蓋或者殼體被高水壓損壞而大量漏水，造成供水中斷，不僅影響生活用水，甚至?xí)?dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。本項(xiàng)目所在的龍泉山片區(qū)為丘陵地區(qū)，管道沿線(xiàn)地形起伏點(diǎn)較多，當(dāng)發(fā)生水錘而使輸水系統(tǒng)中水壓猛降時(shí)，管道的最低壓力線(xiàn)幾乎全部低于管中心線(xiàn)，導(dǎo)致管道內(nèi)水柱分離，從而極易產(chǎn)生破壞性很大的斷流空腔再?gòu)浐纤N，就會(huì)導(dǎo)致管道爆裂等水錘事故的發(fā)生。因此，為了解決本項(xiàng)目水錘防護(hù)中水泵反轉(zhuǎn)和系統(tǒng)超壓(負(fù)壓)的問(wèn)題，本項(xiàng)目利用美國(guó)肯塔基大學(xué)的KYPIPE SURGE 2010軟件對(duì)輸水管道系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，研究了不同工況下事故停泵水錘發(fā)生的特點(diǎn)，最終找到防治水錘經(jīng)濟(jì)、安全的方法。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為Q=32 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=300 m，轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，水泵為二用一備，水泵泵軸處標(biāo)高為488.3 m、止回閥處標(biāo)高488.3 m，末端接管標(biāo)高746 m，水位標(biāo)高746 m。吸水水箱水位491.6 m。止回閥采用增壓泵控制閥，口徑為DN100，流量系數(shù)Kv值取358，止回閥處?kù)o高差257.7 m。輸水管道為單根DN150的無(wú)縫鋼管，海森威廉系數(shù)取130，主輸水管線(xiàn)總長(zhǎng)約2524 m。

根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)及輸送介質(zhì)，利用水錘分析軟件計(jì)算水錘波速如下(管徑DN150壁厚選6 mm)。

水錘波速計(jì)算公式：

因?yàn)榇斯r水錘波是從管線(xiàn)末端開(kāi)始反射，故：

水錘波速a=1316 m/s

故水錘相：u=2L/a=2×2524 /1316 =3.8 s。

2.3 系統(tǒng)流態(tài)分析

2.3.1 穩(wěn)態(tài)流態(tài)分析

本次水錘防護(hù)分析利用SURGE 2010水錘分析軟件建立本項(xiàng)目高壓輸水管道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

通過(guò)構(gòu)建模型進(jìn)行模擬，水泵實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程約為301 m，與水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏差較小，水泵選型合適(圖2)。

圖2 穩(wěn)態(tài)水力運(yùn)行坡線(xiàn)

2.3.2 事故停泵水錘分析

2.3.2.1 無(wú)水錘防護(hù)措施

水泵工作在水位491.6 m時(shí)，在其穩(wěn)態(tài)水力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)因突然斷電導(dǎo)致的停泵水錘進(jìn)行瞬態(tài)水力分析。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，水泵在1 s內(nèi)斷電停泵，同時(shí)水泵出口處的止回閥不能正常關(guān)閉，這種水錘的破壞最嚴(yán)重。該工況是一種特殊工況，是其他工況計(jì)算及水錘防護(hù)措施分析的基礎(chǔ)，其特征量是水泵最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大倒泄流量及其相應(yīng)的時(shí)間、管道中最大最小水錘壓力、以及在管道中是否產(chǎn)生過(guò)低的負(fù)壓引起水柱分離。無(wú)水錘防護(hù)措施的事故斷電停泵工況下，全線(xiàn)的水擊包絡(luò)線(xiàn)如圖3所示。

圖3 水擊包絡(luò)線(xiàn)

從圖3最大、最小包絡(luò)線(xiàn)看出整個(gè)輸水管線(xiàn)升壓不高，但管線(xiàn)后端負(fù)壓嚴(yán)重。水泵處的最大壓力為323.6 m。

由圖4～圖6模擬結(jié)果看，水泵最大倒流量較大，水泵最大反轉(zhuǎn)近3 300 r/min。從水泵倒流量變化圖可知，當(dāng)系統(tǒng)在水泵因事故斷電突然停下來(lái)之后，泵后管線(xiàn)的流量下降，在斷電后2 s，其水泵流量為0，此時(shí)管道中水流可默認(rèn)處于靜止?fàn)顟B(tài)。若此時(shí)關(guān)閉水泵出口處的止回閥，其關(guān)閉并不會(huì)帶來(lái)“額外”的系統(tǒng)流量變化，因此并不會(huì)帶來(lái)額外的壓力升高，即水錘。若在其它時(shí)間關(guān)閉止回閥，只要不在水流速為零時(shí)關(guān)閉，則均會(huì)產(chǎn)生額外的流速變化，進(jìn)而造成壓力波動(dòng)，形成水錘。因此，本系統(tǒng)零流量的工況發(fā)生在2 s，此時(shí)間可對(duì)后續(xù)分析止回閥關(guān)閉的規(guī)律作參考。

圖4 水泵出口壓力變化

圖5 水泵倒流量變化

圖6 水泵反轉(zhuǎn)

2.3.2.2 水泵出水口設(shè)置止回閥

根據(jù)零流量點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，選擇止回閥關(guān)閉時(shí)間為2 s，通過(guò)加入止回閥關(guān)閉條件重新建模進(jìn)行分析，得出如下結(jié)果(圖7～圖9)。

圖7 水擊包絡(luò)線(xiàn)

圖8 水泵反轉(zhuǎn)曲線(xiàn)

圖9 水泵倒流量變化曲線(xiàn)

從圖7最大、最小包絡(luò)線(xiàn)看出整個(gè)輸水管線(xiàn)升壓很高，且管線(xiàn)后端負(fù)壓嚴(yán)重。水泵處的最大壓力為457.5 m。通過(guò)增加止回閥，水泵不反轉(zhuǎn)，倒流量較小。而且通過(guò)水錘分析軟件的多次分析計(jì)算，止回閥關(guān)閥參數(shù)取值為2 s快閉95 %，15 s緩閉5 %為最優(yōu)的關(guān)閥規(guī)律。

水錘是針對(duì)整個(gè)輸水系統(tǒng)而言，并不特限制于泵站。因此，止回閥常常不是解決水錘的唯一答案，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行全系統(tǒng)的通盤(pán)考慮，綜合解決。有些情況下水錘的發(fā)生遠(yuǎn)在止回閥以外的管線(xiàn)上，僅在泵站增設(shè)止回閥就顯得無(wú)所適從。當(dāng)非穩(wěn)定流出現(xiàn)時(shí)(比如：水泵停運(yùn)、關(guān)閥、管線(xiàn)破裂等)很有可能產(chǎn)生負(fù)壓，并以機(jī)械波的速率向管道其它部分傳遞。對(duì)本系統(tǒng)根據(jù)事故斷電停泵水錘分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題是事故停泵時(shí)，水力過(guò)渡過(guò)程中存在的負(fù)壓和汽化引起的水柱分離現(xiàn)象，其產(chǎn)生的主要原兇是嚴(yán)重的負(fù)壓引起水體汽化，而后在壓力波動(dòng)的升壓過(guò)程中汽泡潰滅，水柱彌合，引發(fā)事故。水柱彌合即水蒸汽在瞬間還原成體積很小的液態(tài)水。由于同樣質(zhì)量水蒸汽的體積遠(yuǎn)大于液態(tài)水的體積，一個(gè)巨大體積的水蒸汽團(tuán)在瞬間變成體積很小的液態(tài)水，將產(chǎn)生巨大的沖擊波，破壞設(shè)備。

這種現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致兩方面的問(wèn)題：①管道中長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)壓會(huì)引起管道和與之相連的水泵機(jī)組、閥門(mén)的氣蝕破壞；②如果管道前段水體放空，管路中出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，管路中大量存氣，一方面造成水泵機(jī)組再次正常啟動(dòng)的困難，二方面，如果在事故停泵過(guò)程中再次啟動(dòng)水泵，由于管線(xiàn)中存在多處分離點(diǎn)，被水泵提起的水柱撞擊下游水柱，有可能產(chǎn)生大的壓力升高從而發(fā)生撞擊水錘事故。因此，對(duì)本輸水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很重要的一環(huán)就是從避免發(fā)生嚴(yán)重負(fù)壓著手，應(yīng)盡量消除管路中出現(xiàn)的水柱分離現(xiàn)象。

2.3.2.3 系統(tǒng)增設(shè)防水錘空氣閥

防水錘型空氣閥用于水泵出口及給水、排水管線(xiàn)中，在管路或容器壓力降低到大氣壓力以下很小負(fù)壓(-6.9 kPa)時(shí)就開(kāi)啟，吸入大量的空氣，破壞真空；在恢復(fù)正壓時(shí)自動(dòng)關(guān)閉高速孔口，不高速排氣，但將通過(guò)微量孔口(氣囊緩沖)緩慢排除高速吸進(jìn)的空氣，起到保護(hù)輸水管路免遭“水柱拉斷型斷流彌合水錘”破壞的作用，用于消除斷流彌合水錘。

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，本次擬在系統(tǒng)中加入4臺(tái)防水錘空氣閥后通過(guò)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算(圖10～圖12)。

圖10 設(shè)止回閥加空氣閥的水擊包絡(luò)線(xiàn)

圖11 設(shè)止回閥加空氣閥的水泵反轉(zhuǎn)曲線(xiàn)

圖12 設(shè)止回閥加空氣閥的水泵倒流量變化曲線(xiàn)

從上述模擬分析結(jié)果可知，整個(gè)輸水系統(tǒng)升壓仍然很高，但通過(guò)增加空氣閥，管線(xiàn)的負(fù)壓?jiǎn)栴}消除了。止回閥處的最大壓力為414.8 m，水泵不反轉(zhuǎn)，倒流量輕微。

2.3.2.4 系統(tǒng)增設(shè)水擊預(yù)防閥

從上述分析可知，輸水系統(tǒng)運(yùn)行中的正壓還較高，泵站及管線(xiàn)上的水擊升壓需慎重考慮。因此，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需通過(guò)增設(shè)水擊預(yù)防閥對(duì)系統(tǒng)的超壓進(jìn)行控制，以確保整個(gè)系統(tǒng)的供水安全。水擊預(yù)防閥可在各種設(shè)定工況下維持開(kāi)啟，以保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

根據(jù)GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，最高水擊壓力不能超過(guò)工作壓力的1.3～1.5倍，又考慮到止回閥存在誤動(dòng)作的可能，通過(guò)水錘分析軟件多次計(jì)算后，在泵站出水總管安裝水擊預(yù)防閥一套，同時(shí)設(shè)定壓力為：

泵站水擊預(yù)防閥高壓設(shè)定值：Pset1=315 m；

泵站水擊預(yù)防閥低壓設(shè)定值：Pset2=150 m；

泵站水擊預(yù)防閥高壓設(shè)定值：Pset3=320 m；

增設(shè)水擊預(yù)防閥后運(yùn)用軟件進(jìn)一步模擬(圖13～圖15)。

圖13 設(shè)止回閥加空氣閥加水擊預(yù)防閥的水擊包絡(luò)線(xiàn)

圖14 設(shè)止回閥加空氣閥加水擊預(yù)防閥的水泵反轉(zhuǎn)曲線(xiàn)

圖15 設(shè)止回閥加空氣閥加水擊預(yù)防閥的水泵倒流量變化曲線(xiàn)

從上述模擬分析結(jié)果可知，通過(guò)增設(shè)水擊預(yù)防閥后，止回閥2 s快閉95 %，15 s緩閉5 %，泵站附近水擊正壓得到很好的控制，整個(gè)管線(xiàn)加壓系統(tǒng)最高水擊壓力發(fā)生在止回閥處，泵站止回閥后最高水擊壓力為318.2 m，管道全線(xiàn)負(fù)壓水錘消除，水泵不反轉(zhuǎn)，止回閥處水擊升壓很小(僅僅升壓16 m)。滿(mǎn)足GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》最高水擊壓力不能超過(guò)工作壓力的1.3～1.5倍的要求，同時(shí)水泵不反轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足上述規(guī)范要求水泵反轉(zhuǎn)速度不能超過(guò)額定轉(zhuǎn)速1.2倍，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的反轉(zhuǎn)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 min的要求，達(dá)到了水錘防護(hù)的目的，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

(1)系統(tǒng)上若不采用水錘防護(hù)措施，輸水管道系統(tǒng)發(fā)生停泵水錘后管道系統(tǒng)升壓不高，但管線(xiàn)后端負(fù)壓嚴(yán)重，水泵急速反轉(zhuǎn)，對(duì)輸水管道系統(tǒng)和泵站的破壞很大。

(2)水泵出水口處增加止回閥后，整個(gè)輸水管線(xiàn)升壓很高，且管線(xiàn)后端負(fù)壓嚴(yán)重。通過(guò)增加止回閥，水泵不反轉(zhuǎn)，倒流量較小。

(3)系統(tǒng)中設(shè)置止回閥+空氣閥，管線(xiàn)的負(fù)壓?jiǎn)栴}消除，水泵不反轉(zhuǎn)，倒流量輕微，但升壓很高。

(4)系統(tǒng)中設(shè)置止回閥+空氣閥+水擊預(yù)防閥后，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)壓水錘消除，水泵不反轉(zhuǎn)，止回閥處水擊升壓很小，同時(shí)滿(mǎn)足GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，且能保證整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行。