孫正甫 趙靜

摘要盱眙縣城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)工程涉及規(guī)模30萬m3/d淮河的取水工程，渾水管線21.5km，沿途地形高低起伏，水錘控制非常重要，選擇合理的水錘防護(hù)方案是保障不同工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

關(guān)鍵詞城鄉(xiāng)供水 長距離輸水? 渾水管線水錘防護(hù)

0引言

長距離輸水工程可以實(shí)現(xiàn)城市水資源的合理配置，長距離輸水的水錘壓力控制非常重要，關(guān)系到整個(gè)輸水工程的正常運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)輸水工程準(zhǔn)確計(jì)算、分析水力過渡過程，選擇安全、方便、可靠、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施的研究尤其重要，為工程保駕護(hù)航。

1水錘計(jì)算數(shù)學(xué)模型及防護(hù)途徑

1.1水錘計(jì)算方法（特征線法）

水錘計(jì)算的重點(diǎn)包括對(duì)輸水管道系統(tǒng)內(nèi)的管道內(nèi)點(diǎn)、管道連接水池、閥門及相關(guān)過流的元件的計(jì)算分析。通過對(duì)水錘基本方程的求解我們可以對(duì)管道系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)的水錘進(jìn)行計(jì)算，基本方程是由連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)合組成雙曲型偏微分方程組。進(jìn)一步對(duì)偏微分方程離散化，在特征線方向可以轉(zhuǎn)化為關(guān)于水錘的全微分方程，具體如下：

根據(jù)水錘分析的全微分方程轉(zhuǎn)換成水錘分析中編入計(jì)算機(jī)程序的相容性方程。

同時(shí)在計(jì)算前需要確定相關(guān)邊界條件，例如上游為正常運(yùn)轉(zhuǎn)中的離心泵、進(jìn)排氣閥、超壓泄壓閥、管路末端水池、調(diào)壓塔等邊界條件。

1.2 常規(guī)水錘防護(hù)途徑

美國水錘專家馬丁提出，輸水管路中會(huì)呈現(xiàn)出六種不同的氣液兩相流狀態(tài)，氣體以氣囊的形式存在在壓力管道中，水流動(dòng)中由于管道坡度、管壁粗糙度不一及通過彎管、管徑變化等因素影響產(chǎn)生分散聚合現(xiàn)象，產(chǎn)生氣囊中壓差的改變，管道壓力隨之變化。通過以往的理論研究，防止水錘壓力升高的途徑有如下三種，具體如下。第一，排空管道里面的壓力，這樣就避免了氣囊運(yùn)動(dòng)型斷流的彌合水錘，可通過采用排氣閥進(jìn)行排氣，對(duì)于突然停泵的工況采用單向調(diào)壓塔充水不注氣減少負(fù)壓的影響;第二，通過空氣罐及相同原理的裝置單向?qū)ι龎翰ㄟM(jìn)行吸納和消除，可通過空氣罐等穩(wěn)壓吸壓裝置對(duì)水錘升壓進(jìn)行消除或者吸納，造價(jià)較高;第三，采用雙向的調(diào)壓塔對(duì)升壓波進(jìn)行吸納，應(yīng)用頻繁。

2工程概況

盱眙縣城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)工程是改善當(dāng)?shù)毓┧F(xiàn)狀的民生工程，工程內(nèi)容包括水源廠（含取水泵房、取水頭部及自流管）、渾水管線、凈水廠和配水管線工程等。取水水源為淮河，取水點(diǎn)為河道中部，水源廠規(guī)模30萬m3/d，配套新建兩根DN1400球墨鑄鐵管，一次性建成，單根長度約21.5km。

3現(xiàn)狀分析及方案對(duì)比

3.1 水源廠及渾水管線概況

本工程設(shè)置水源廠一座，淮河取水后低點(diǎn)的源水通過泵站輸送至水廠進(jìn)行凈化，低點(diǎn)與最不利點(diǎn)地理高差大于30m。取水規(guī)模近期為20萬m3/d，取水泵采用大小泵搭配，采用臥式離心泵共4臺(tái)，其中大泵2臺(tái)，1用1備，單泵流量為（Q=4584m3/h，H=46m）;小泵2臺(tái)，2用，單泵流量為（Q=2292m3/h，H=46m）;取水泵站取水規(guī)模遠(yuǎn)期為30萬m3/d，取水泵同樣采用大小泵搭配，臥式離心泵6臺(tái)， 3臺(tái)大泵單泵流量為（Q=4584m3/h，H=46m），2用1備，另外3臺(tái)小泵單泵流量為（Q=2292m3/h，H=46m），2用1備，渾水管線管徑DN1400mm，雙管供水，管道承壓值不低于1.0MPa。本次計(jì)算按照遠(yuǎn)期最不利停泵工況進(jìn)行計(jì)算。

3.2 方案選擇和比較

為了控制系統(tǒng)內(nèi)的水錘升壓，采取了3個(gè)方案進(jìn)行水錘控制，

3.2.1方案一：指定樁號(hào)處安裝排氣閥的非穩(wěn)定流計(jì)算，主要是通過排出系統(tǒng)內(nèi)的氣體去除水錘。

管道中排氣閥的計(jì)算樁號(hào)為：

下文對(duì)水泵出口處閥門在不同關(guān)閉時(shí)間、不同關(guān)閉角度工況下的管道系統(tǒng)內(nèi)水錘變化進(jìn)行具體計(jì)算分析。

3.2.2方案一總結(jié)

方案一中水泵出口閥門關(guān)閉時(shí)間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖2中（1）～（4）所示，可以得出如下結(jié)論。結(jié)論一：根據(jù)規(guī)范要求在指定樁號(hào)處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關(guān)時(shí)間為5s～8s，角度為60°～70°，總關(guān)閉時(shí)間為40s～100s，停泵會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力迅速增加，水錘升壓超過管道承受范圍，存在安全隱患，需要對(duì)水錘進(jìn)行合理控制;結(jié)論二：水泵出口處的閥門關(guān)閉快慢時(shí)間，對(duì)水錘升壓影響較小。

3.2.3方案二：按照規(guī)范要求設(shè)置排氣閥（同方案一），在0+020處設(shè)置雙向的調(diào)壓塔進(jìn)行的非穩(wěn)定流計(jì)算。

下面就管道的水泵出口處閥門不同快慢關(guān)閥時(shí)間及角度時(shí)的管道水錘升壓進(jìn)行具體分析計(jì)算。

3.2.4方案二總結(jié)

方案二中水泵出口閥門關(guān)閉時(shí)間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖3中（1）～（4）所示，可以得出如下結(jié)論。結(jié)論一：根據(jù)規(guī)范要求在指定樁號(hào)處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關(guān)時(shí)間為5s～8s，角度為60°～70°，總關(guān)閉時(shí)間為40s～100s，管道系統(tǒng)前端的水錘升壓控制在合理范圍內(nèi)，管道系統(tǒng)后端升壓較為明顯，出現(xiàn)斷流空腔現(xiàn)象，需要采取水錘防護(hù)措施控制水錘升壓;結(jié)論二：水泵出口處的閥門關(guān)閉快慢時(shí)間，對(duì)水錘升壓影響較小。

3.2.5方案三：按照規(guī)范要求設(shè)置排氣閥（同方案一），在0+020、14+380處安裝箱式雙向調(diào)壓塔的非穩(wěn)定流計(jì)算

下面就管道的水泵出口處閥門不同快慢關(guān)閥時(shí)間及角度時(shí)的管道水錘升壓進(jìn)行具體分析計(jì)算。

3.2.6方案三總結(jié)

方案三中水泵出口閥門關(guān)閉時(shí)間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖4中（1）～（4）所示，可以得出如下結(jié)論。結(jié)論一：根據(jù)規(guī)范要求在指定樁號(hào)處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關(guān)時(shí)間為5s～8s，角度為60°～70°，總關(guān)閉時(shí)間為40s～100s，管道系統(tǒng)的水錘升壓控制在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)斷流空腔現(xiàn)象;結(jié)論二：管道內(nèi)的水錘壓力降低在合理范圍內(nèi)，水泵出口閥門的關(guān)閉時(shí)間快慢、角度對(duì)管道系統(tǒng)內(nèi)水錘影響較小。具體配置防護(hù)措施的設(shè)備工程量及參數(shù)詳見表2。

取水泵房管道方案三箱式雙向調(diào)壓塔參數(shù)：

由于管道末端有27米剩余水頭，且管道末端低于中部最高點(diǎn)K14+360（管中心高程44.7m）約12米，故根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)設(shè)置保壓閥以保證最高點(diǎn)不出現(xiàn)負(fù)壓運(yùn)行，保證管道不出現(xiàn)水柱中斷型斷流水錘。

保壓閥具有兩種類型：①調(diào)流調(diào)壓閥、②噴孔減壓控流閥，前者為電動(dòng)型，價(jià)格昂貴，運(yùn)行管理復(fù)雜，故障較多，且應(yīng)有人值班管理;后者完全水力自動(dòng)，價(jià)格合理，不易出現(xiàn)故障，可無人值守。故推薦后者，即噴孔減壓控流閥。

由于本工程剩余水頭較多，為節(jié)省投資，建議采用DN1200規(guī)格，具有足夠的過流能力，可完全滿足要求。

4結(jié)論

綜上所述，根據(jù)規(guī)范要求在指定樁號(hào)處安裝排氣閥門，樁號(hào)0+020、14+380處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，水泵處的控制閥快關(guān)時(shí)間為5s～8s，角度為60°～70°，總關(guān)閉時(shí)間為40s～100s，管道系統(tǒng)的水錘升壓控制在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)斷流空腔現(xiàn)象。水泵出口閥門的關(guān)閉時(shí)間快慢、角度對(duì)管道系統(tǒng)內(nèi)水錘影響較小，管道系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]龐鍇鋒，唐迪，劉智慧，等.前段陡坡長距離供水工程水錘防護(hù)方案優(yōu)選[J].黑龍江水利科技，2017， 45 （06） ：75-78.

[2]王琰，康雅，李政帥，等.基于Bentley Hammer V8i的長距離輸水管道停泵水錘模擬分析[J].給水排水， 2013， 39（4）：114-117.

[3]金錐，康乃昌，汪興華，等.停泵水錘及其防護(hù)[M]. 2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2004.

[4]李朦，王舜和，郭淑琴. Bentley在三維市政管線綜合中的應(yīng)用與探討[J].中國給水排水， 2016， 32（16）：63-65.

[5]王保慶，李青坤，鄒建偉.淺析長距離輸水管道停泵水錘的簡易算法及防護(hù)[J].科研設(shè)計(jì)， 2017（9）：31-39.

[6]歐楠.長距離輸水工程重力流水錘閥防護(hù)的數(shù)值模擬[D].太原：太原理工大學(xué)， 2010.

[7]CECS193-2005， 城鎮(zhèn)供水長距離輸水管 （渠） 道工程技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計(jì)劃出版社， 2006.

南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 南京 210000