1 工程概況

本工程為宜賓市某供水工程，在原有DN1 200輸水干管末端新建1座加壓泵站，并配套建設(shè)高區(qū)輸水干管，其中泵站設(shè)計規(guī)模為10萬m/d，土建一次實施，設(shè)備分期安裝，近期設(shè)備安裝供水規(guī)模為1萬m/d；輸水干管按高區(qū)遠期輸水規(guī)模一次建成，輸水規(guī)模4萬m/d。輸水干管為1根，分為2段，前半段為DN800涂塑復(fù)合鋼管，長約5.40km；后半段為DN400涂塑復(fù)合鋼管，長約5.80km。DN800管段設(shè)計輸水規(guī)模按遠期4萬m/d考慮，時變化系數(shù)Kh=1.50，而后DN400管段設(shè)計輸水規(guī)模按1萬m/d考慮（其余分流至中間城鎮(zhèn)用水點），時變化系數(shù)Kh=1.50，末端服務(wù)水頭0.28MPa。輸水干管布置見圖1。

圖1 輸水干管布置示意

2 管道水力計算

2.1 管徑計算

本輸水干管按輸水規(guī)模4萬m/d一次建成，其高日高時流量：

對DN 400段計算同上，輸水規(guī)模按4萬m/d計，時變化系數(shù)Kh=1.50。

2.2 水泵揚程計算

表1 各管段水損計算結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果選擇水泵揚程：

Hp=Zc+Hc+hy+hj

式中：Zc—管網(wǎng)控制點與清水池最低水位的高差，m，本處為420.00-313.50=106.5m；

Hc—控制點要求的最小服務(wù)水頭，m，取28m水頭；

hy—沿程水頭損失，m，9.53+2.72+29.68=41.93m；

hj—局部水頭損失，m；取hy的10%計算，約4.2m；

計算水泵揚程為：Hp=180.63m，取2m富余水頭，并取整為183.00m；

校核最高點：以最高點反算水泵揚程則為：Hp1=473.00-313.50+9.83*1.1+2=172.31m，小于計算水泵揚程，滿足設(shè)計要求。

2.3 工作壓力計算

輸水干管出泵站后約1500m處，即為最低點，其標(biāo)高為301.00m，管網(wǎng)最大靜壓為313.50-301.00+183.00=195.50m，約合1.96MPa，考慮最不利段的管道及閥門附件承壓等級為2.50MPa。同時本著以供水安全的原則，并力求經(jīng)濟合理，對本工程管材選擇如下：

加壓泵站至最高點段，采用管道及閥門附件承壓等級為2.50MPa；

最高點至末端用水點段，采用管道及閥門附件承壓等級為1.6MPa。

3 水錘防護設(shè)計

3.1 基本參數(shù)

本工程最大運行工況為水泵為2用1備，前段為1根DN800的主管，系統(tǒng)總流量為625m/h。單臺水泵參數(shù)：H=183~165~150m，Q=210~312.5~360m/h，轉(zhuǎn)速為1490轉(zhuǎn)/分鐘，水泵效率81.8~81.8~75%。水泵處標(biāo)高311.87m、止回閥處標(biāo)高311.87m，末端接管標(biāo)高420.00m。吸水池最低水位313.50m。止回閥采用重錘式液控蝶閥，口徑為DN400，流量系數(shù)Kv值為2262。輸水管為1根DN800、DN400的鋼管，壁厚為16mm、12mm，其摩擦系數(shù)-海森威廉系數(shù)取120，主輸水管線總長11000m。泵房管線布置見圖2。

圖2 泵房管線布置示意

3.2 水錘波速的計算

根據(jù)管道設(shè)計參數(shù)及輸送介質(zhì)，利用水錘分析軟件計算水錘波速如下（管徑DN800、DN400壁厚分別為16mm、12mm）：

DN800水錘波速計算公式：

式中：ρ——水的密度（1000kg/m）；K——水的體積彈性模量，取2.1×10Pa；D——管道的公稱直徑（mm）；E——管道的材料彈性模量，鋼管取20.6×10Pa；E——管道壁厚（mm）。

DN 400水錘波速計算公式：

3.3 建立水錘分析模型

根據(jù)美國肯塔基大學(xué)的KYPIPE SURGE 2020水錘分析軟件建立水錘分析數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)運行水力坡降線如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)水力坡度線

3.4 事故停泵水錘分析（清水池低水位313.50m，兩泵單管運行）

水泵工作在最低水位313.53m時，在其穩(wěn)態(tài)水力分析及調(diào)整設(shè)計參數(shù)之后的基礎(chǔ)上，對因突然斷電導(dǎo)致的停泵水錘進行瞬態(tài)水力分析，此時無任何水錘防護設(shè)備。如圖4所示。

圖4 全線水擊包絡(luò)線（無水錘防護設(shè)備）

從最大、最小包絡(luò)線看出整個輸水管線升壓很高，管線局部負壓嚴(yán)重，局部水壓達2.8MPa，遠超管道設(shè)計工作承壓等級，且亦超過管道試驗壓力值。事故斷電時水泵處壓力如圖5所示。事故斷電時水泵倒流量如圖6所示。

圖5 事故斷電時水泵處壓力圖

圖6 事故斷電時水泵倒流量圖

從以上分析可以看出，水泵最大倒流量較大，當(dāng)水泵在事故斷電突然停下來之后，泵后管道的流量下降，只要不在水流速為零時關(guān)閉閥門，則均會產(chǎn)生額外的流速變化，進而造成壓力波動。從以上水泵倒流量圖表可以看出此工況零流量約發(fā)生在2s，以此作為我們設(shè)定緩閉止回閥關(guān)閉規(guī)律時的依據(jù)，本工程選擇的緩閉止回閥為重錘式液控蝶閥，其具有截止、止回功能，關(guān)閉時能實現(xiàn)緩閉功能，能有效消除水錘危害，保護水輪機、水泵及管網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

3.5 水錘防護設(shè)計

根據(jù)零流量點出現(xiàn)的時間，我們選擇重錘式液控蝶閥關(guān)閉規(guī)律為：5s快閉70%，30s緩閉30%，如圖7所示。

圖7 設(shè)重錘式液控蝶閥后的全線水擊包絡(luò)線

水錘是針對全系統(tǒng)而言，并不特指水泵站。因此，緩閉止回閥常常不是解決水錘的唯一答案，輸水管線工程設(shè)計中還須進行全系統(tǒng)的通盤考慮，綜合解決。有些情況下水錘的發(fā)生遠在緩閉止回閥以外的管線上，“緩閉止回閥調(diào)整法”就顯得無所適從。當(dāng)非穩(wěn)定流出現(xiàn)時（比如：水泵停運、關(guān)閥、管線破裂等）很有可能產(chǎn)生負壓，并以機械波的速率向管道其它部分傳遞。

對本系統(tǒng)事故斷電停泵水錘分析計算表明：主要問題是事故停泵水力過渡過程中存在的負壓和汽化引起的水柱分離現(xiàn)象，其產(chǎn)生的主要原因是嚴(yán)重的負壓引起水體汽化，而后在壓力波動的升壓過程中汽泡潰滅，水柱彌合，引發(fā)事故。

對于本系統(tǒng)而言，為了避免事故停泵、泵出口閥門關(guān)閉后形成的管路前段水體放空和其他點出現(xiàn)的水柱分離現(xiàn)象，還需在輸水管線中設(shè)防水錘空氣閥。防水錘空氣閥集高速排氣、防止關(guān)閥水錘、節(jié)流排氣保證安全充水速度和防止斷流彌合水錘、持續(xù)可靠微量排氣以提高輸水效率、高速吸氣防止管路產(chǎn)生負壓等功能于一體，可有效避免管道中的水柱分離現(xiàn)象。本工程在管網(wǎng)中最高點和5個相對高點各設(shè)置一套防水錘空氣閥。

考慮到此泵站輸水系統(tǒng)正壓還很高，故我們對泵站及管線上的水擊升壓尚需慎重考慮，因此在泵站出水管增設(shè)電磁式水錘預(yù)防閥、水錘泄壓閥各一套，進一步確保整個工程的供水安全。

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》要求，最高水擊壓力不能超過工作壓力的1.3~1.5倍，又考慮到重錘式液控蝶閥存在誤動作的可能，通過水錘分析軟件多次計算后，在泵站出水母管安裝1臺DN150電磁式水錘預(yù)防閥，和1臺DN200水錘泄壓閥，壓力等級為2.5MPa。增設(shè)水錘防護設(shè)備后的泵站管網(wǎng)如圖8所示。

圖8 增設(shè)水錘防護設(shè)備后的泵站管網(wǎng)示意

增設(shè)所有水錘防護設(shè)備后分析如圖9所示。

圖9 增設(shè)水錘防護設(shè)備后的全線水擊包絡(luò)線

經(jīng)軟件模擬分析，整條管線升壓不大，負壓消除了，達到了水錘防護的目的。具體結(jié)果如表2所示。

表2 水錘防護設(shè)備增設(shè)前后對比

4 結(jié)論

本項目管徑大，管線長，地勢起伏劇烈，泵站揚程計算、管徑選取、水錘防護上均有其顯著的特點，需在經(jīng)濟技術(shù)和安全供水等方面綜合考慮。經(jīng)計算分析，本工程在增設(shè)水錘防護設(shè)備后，能顯著避免發(fā)生停泵水錘及斷流彌合水錘事故。水錘的防護是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，通過專業(yè)軟件對系統(tǒng)實際運行工況進行模擬、分析，選擇綜合有效的防護設(shè)施設(shè)備對安全供水有著重要意義。