鄭航桅， 孫國勝， 鄭成志， 高金良

(1.廣東粵港供水有限公司，廣東深圳 518000；2.廣東粵海水務(wù)投資有限公司，廣東深圳518000；3.哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，黑龍江哈爾濱150090)

水資源時空分布不均和短缺是制約我國部分地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的影響因素，長距離輸水是優(yōu)化水資源配置而采取的有效工程措施。在增壓供水工程中，泵站的停泵工況引起的水錘問題最為嚴重。針對供水系統(tǒng)進行水錘分析及防護措施研究，對提高供水系統(tǒng)設(shè)計水平、保證供水系統(tǒng)安全運行具有重要意義。本文以東北地區(qū)某長輸管線供水工程為例，針對多起伏、小高差的典型長距離輸水工程進行全面模擬分析，選擇安全經(jīng)濟的水錘防護措施，在管線中合理設(shè)置水錘防護設(shè)備，從而有效保證長距離供水工程運行的安全。

1 案例工程

某項提供城鎮(zhèn)生活用水及工業(yè)用水的城市供水工程管線單管全長27 km,設(shè)計承壓能力范圍為1.02～1.8 MPa，為泵送流雙線供水系統(tǒng)。泵站內(nèi)設(shè)6臺離心式水泵，4用2備，單泵流量為0.32 m3/s，設(shè)計揚程為137 mH2O。供水管材為球墨鑄鐵管，管徑為DN900 mm。

綜合該工程輸水管線特征和定線限制，前段地形起伏比較大，中途頻繁小起伏，供水管線距離長，相比較其他工程，管線地形起伏大，局部高點多，在事故停泵過渡過程中管線局部會產(chǎn)生液體汽化或水柱分離，從而引起一系列急劇的壓力交替升降，給管線的正常運行造成危害。為解決這一問題，工程采用在管線中設(shè)置合適空氣閥避免水力過渡過程中發(fā)生嚴重水錘，空氣閥是一種用于防止瞬變過程減壓波使管內(nèi)產(chǎn)生負壓的特殊閥門。本工程在管道沿線(單線)共設(shè)置了55處DN100 mm空氣閥，其中復(fù)合式空氣閥39處、三級緩排式空氣閥16處。

該段管線地形多起伏、小高差，其穩(wěn)態(tài)壓力分布見圖1。

圖1 管線的壓力分布Fig.1 Distribution of pipeline pressure

2 瞬變流水力模型的構(gòu)建分析

2.1 穩(wěn)態(tài)模型計算

輸水工程的穩(wěn)定運行狀態(tài)是瞬變過程計算的起始狀態(tài)，為了有效分析瞬變過程并制定合理的水錘防護措施，采用《室外給水設(shè)計標準》(GB 50013—2018)[1]中供水工程的管道水力計算的海澄-威廉(Hazen-Williams)公式進行管道水力計算：

(1)

式中，hf為沿程損失，mH2O；Q為管道流量，m3/s；l為管段長度，m；Ch為海澄―威廉系數(shù)；d為管道直徑，m。

2.2 瞬態(tài)模型求解方法

考慮摩阻損失及管道傾斜度影響的管道瞬變流動過程中的流速和壓力變化規(guī)律的運動方程和連續(xù)方程，它們是擬線性雙曲線型偏微分方程組，無法直接求出其解析解，目前通常采用特征線法求解這類雙曲線型方程組[2]。

(2)

(3)

式中，H為測壓管水頭，mH2O；v為管中平均流速，m/s；x為沿管中心線與坐標起點的距離，m；g為當?shù)刂亓铀俣?，m/s2；t為時間，s；α為水錘波傳播速度，m/s。

3 水錘防護方案分析

針對本工程前段起伏較大、中途頻繁小起伏的特點，供水管線距離長且定線已定，濾除多數(shù)單一防護方案，提出最為可行的兩種水錘防護方案：在泵站出水母管均設(shè)置氣壓罐、兩階段緩閉止回閥的基礎(chǔ)上，對空氣閥進行優(yōu)化調(diào)整，方案一采用小口徑空氣閥，方案二采用局部小口徑空氣閥與真空吸氣閥的組合形式。

3.1 方案一

在泵站出水母管處設(shè)置2個20 m3氣壓罐，充存壓力550 kPa，并在各水泵出口設(shè)置兩階段緩閉止回閥，第一階段快速關(guān)閉90%用時5 s，第二階段慢關(guān)10%用時10 s。水泵出水總管設(shè)置1個DN200超壓泄壓閥，沿線(單線)設(shè)置55處DN100空氣閥，其中復(fù)合式空氣閥39處、三級緩排式空氣閥16處。

圖2 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(方案一)Fig.2 Pressure envelope of water hammer of pumping accident (Scheme Ⅰ)

水錘防護結(jié)果由圖2可知，全線口徑都比正?？趶叫∫惶?，全線最大壓力為122.9 mH2O，全線最小壓力(自由水頭)為-7.4 mH2O，均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，分析可知滿足水錘防護要求。

分析圖3可知，發(fā)生停泵水錘之后，水泵未發(fā)生倒轉(zhuǎn)。這說明水泵在停電之后由于自身的轉(zhuǎn)動慣量繼續(xù)正轉(zhuǎn)，水流也繼續(xù)向前流動，水泵的轉(zhuǎn)動在整個停泵水錘發(fā)生期間并沒有受到倒流水流的沖擊，水泵轉(zhuǎn)速緩慢降低直至停止，說明小口徑空氣閥起到了保護水泵的作用。

圖3 事故停泵過程中水泵運行狀態(tài)(方案一)Fig.3 Operation status of pump of pumping accident (Scheme Ⅰ)

分析圖4可知，水泵出口閥門關(guān)閉后壓力存在波動，閥后最大壓力為132.4 mH2O，最小壓力(自由水頭)為51 mH2O，均滿足水泵出口的壓力值不得超過額定壓力的1.3～1.5倍的規(guī)范要求，且隨著時間的推移，水錘波基本消散，趨于平緩，滿足水錘防護要求。

圖4 事故停泵閥后壓力(方案一)Fig.4 Downstream pressure of pumping accident (Scheme Ⅰ)

3.2 方案二

在泵站出水母管處設(shè)置1個20 m3氣壓罐，充存壓力550 kPa，并在各水泵出口設(shè)置兩階段緩閉止回閥，第一階段快速關(guān)閉90%用時5 s，第二階段慢關(guān)10%用時10 s。水泵出水總管設(shè)置1個DN200超壓泄壓閥，沿線(單線)設(shè)置50處DN150空氣閥(其中復(fù)合式空氣閥34處、三級緩排式空氣閥16處)、1處DN80三級緩排式空氣閥，沿線(單線)設(shè)置4處DN150真空吸氣閥。

全線空氣閥采用正?？趶娇諝忾y、局部小口徑空氣閥和真空吸氣閥的組合形式。從圖5可以看出，全線最大壓力為122.9 mH2O，全線最小壓力(自由水頭)為-3.6 mH2O，均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，同時泵后止回閥關(guān)閉時間很好地控制了水流逆向流動，使水泵不發(fā)生倒轉(zhuǎn)[3]，滿足水錘防護要求。

圖5 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線(方案二)Fig.5 Pressure envelope of water hammer of pumping accident (Scheme Ⅱ)

分析圖6可知，發(fā)生停泵水錘之后，水泵未發(fā)生倒轉(zhuǎn)。水泵在停電之后，水泵由于自身的轉(zhuǎn)動慣量繼續(xù)正轉(zhuǎn)，水流也繼續(xù)向前流動，水泵的轉(zhuǎn)動在整個停泵水錘發(fā)生期間并沒有受到倒流水流的沖擊，水泵轉(zhuǎn)速緩慢降低直至停止，這說明局部小口徑空氣閥與真空吸氣閥的組合形式起到了保護水泵的作用。

圖6 事故停泵過程中水泵運行狀態(tài)(方案二)Fig.6 Operation status of pump of pumping accident (Scheme Ⅱ)

如圖7所示，水泵出口閥門關(guān)閉后壓力存在波動，閥后最大壓力為132.4 mH2O，最小壓力(自由水頭)為51 mH2O，均滿足水泵出口的壓力值不得超過額定壓力的 1.3～1.5 倍的規(guī)范要求，且隨著時間的推移，水錘波基本消散，趨于平緩。局部小口徑空氣閥與真空吸氣閥的組合形式，對于正壓水錘和負壓水錘的控制起著至關(guān)重要的作用。

圖7 事故停泵閥后壓力(方案二)Fig.7 Downstream pressure of pumping accident (Scheme Ⅱ)

3.3 方案對比

對采用小口徑空氣閥的方案一和采用局部小口徑空氣閥+真空吸氣閥的方案二進行對比，如表1所示。

表1 方案一和方案二下主要防護設(shè)備的水錘防護參數(shù)對比Tab.1 Comparison of water hammer prevention parameters of main protective equipment of Scheme I and Scheme Ⅱ

4 水錘防護方案技術(shù)經(jīng)濟比選

分析表明，水錘防護效果的安全性和緩解正負壓都很好，全線最大壓力、最小壓力(自由水頭)均在正壓上限和負壓下限范圍內(nèi)，水泵轉(zhuǎn)速和水泵閥后壓力滿足要求，兩種方案均滿足水錘防護要求。

從魯棒性、經(jīng)濟性等角度進行對比得出：方案一魯棒性更強，但投資較高；方案二通過調(diào)整空氣閥口徑及適當位置設(shè)置真空吸氣閥，可有效防護水錘負壓，并將水泵出水母管氣壓罐數(shù)量降低為1個，在提高安全性的同時極大地降低了工程造價。同時，方案二的計算結(jié)果優(yōu)于方案一，即產(chǎn)生的負壓相對更小，綜合分析后推薦方案二。

5 結(jié)論

① 多起伏、小高差的長距離輸水系統(tǒng)中供水線路在管線局部或高峰處出現(xiàn)壓力交替升降，單一的防護措施不能有效消除負壓對輸水管線運行安全的影響。按照瞬變流水力模型模擬計算后得到在泵出口閥門選擇合適的關(guān)閉程序的基礎(chǔ)上，采用氣壓罐和空氣閥組合形式[4]，水錘防護效果較為理想。

② 對于我國東北地區(qū)的輸水工程，出于對設(shè)備防凍保溫的考慮，不建議采用設(shè)置單向調(diào)壓塔的方案。綜合安全性、經(jīng)濟性和工程特點的考慮，在管線坡峰處設(shè)置真空吸氣閥和局部小口徑空氣閥的組合形式，能取得較為理想的水錘防護效果[5]。