鄭航桅， 孫國(guó)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(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

水資源時(shí)空分布不均和短缺是制約我國(guó)部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響因素，長(zhǎng)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(wèn)題最為嚴(yán)重。針對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行水錘分析及防護(hù)措施研究，對(duì)提高供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平、保證供水系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。本文以東北地區(qū)某長(zhǎng)輸管線供水工程為例，針對(duì)多起伏、小高差的典型長(zhǎng)距離輸水工程進(jìn)行全面模擬分析，選擇安全經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施，在管線中合理設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備，從而有效保證長(zhǎng)距離供水工程運(yùn)行的安全。

1 案例工程

某項(xiàng)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(zhǎng)27 km,設(shè)計(jì)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(tái)離心式水泵，4用2備，單泵流量為0.32 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)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(zhǎng)，相比較其他工程，管線地形起伏大，局部高點(diǎn)多，在事故停泵過(guò)渡過(guò)程中管線局部會(huì)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(yùn)行造成危害。為解決這一問(wèn)題，工程采用在管線中設(shè)置合適空氣閥避免水力過(guò)渡過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重水錘，空氣閥是一種用于防止瞬變過(guò)程減壓波使管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的特殊閥門(mén)。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(jí)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(jiàn)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(jì)算

輸水工程的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是瞬變過(guò)程計(jì)算的起始狀態(tài)，為了有效分析瞬變過(guò)程并制定合理的水錘防護(hù)措施，采用《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)[1]中供水工程的管道水力計(jì)算的海澄-威廉(Hazen-Williams)公式進(jìn)行管道水力計(jì)算：

(1)

式中，hf為沿程損失，mH2O；Q為管道流量，m3/s；l為管段長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程中的流速和壓力變化規(guī)律的運(yùn)動(dòng)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(wú)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(cè)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(biāo)起點(diǎn)的距離，m；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；t為時(shí)間，s；α為水錘波傳播速度，m/s。

3 水錘防護(hù)方案分析

針對(duì)本工程前段起伏較大、中途頻繁小起伏的特點(diǎn)，供水管線距離長(zhǎng)且定線已定，濾除多數(shù)單一防護(hù)方案，提出最為可行的兩種水錘防護(hù)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(duì)空氣閥進(jìn)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(gè)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(shí)5 s，第二階段慢關(guān)10%用時(shí)10 s。水泵出水總管設(shè)置1個(gè)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(jí)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(hù)結(jié)果由圖2可知，全線口徑都比正常口徑小一號(hào)，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(fù)壓下限范圍內(nèi)，分析可知滿足水錘防護(hù)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(shuō)明水泵在停電之后由于自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量繼續(xù)正轉(zhuǎn)，水流也繼續(xù)向前流動(dòng)，水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)在整個(gè)停泵水錘發(fā)生期間并沒(méi)有受到倒流水流的沖擊，水泵轉(zhuǎn)速緩慢降低直至停止，說(shuō)明小口徑空氣閥起到了保護(hù)水泵的作用。

圖3 事故停泵過(guò)程中水泵運(yùn)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(mén)關(guān)閉后壓力存在波動(dòng)，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(guò)額定壓力的1.3～1.5倍的規(guī)范要求，且隨著時(shí)間的推移，水錘波基本消散，趨于平緩，滿足水錘防護(hù)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(gè)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(shí)5 s，第二階段慢關(guān)10%用時(shí)10 s。水泵出水總管設(shè)置1個(gè)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(jí)緩排式空氣閥16處)、1處DN80三級(jí)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(fù)壓下限范圍內(nèi)，同時(shí)泵后止回閥關(guān)閉時(shí)間很好地控制了水流逆向流動(dòng)，使水泵不發(fā)生倒轉(zhuǎn)[3]，滿足水錘防護(hù)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(dòng)慣量繼續(xù)正轉(zhuǎn)，水流也繼續(xù)向前流動(dòng)，水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)在整個(gè)停泵水錘發(fā)生期間并沒(méi)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(shuō)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(hù)水泵的作用。

圖6 事故停泵過(guò)程中水泵運(yùn)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(mén)關(guān)閉后壓力存在波動(dòng)，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(guò)額定壓力的 1.3～1.5 倍的規(guī)范要求，且隨著時(shí)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(duì)于正壓水錘和負(fù)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(duì)比

對(duì)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(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

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

4 水錘防護(hù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

分析表明，水錘防護(hù)效果的安全性和緩解正負(fù)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(fù)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(hù)要求。

從魯棒性、經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行對(duì)比得出：方案一魯棒性更強(qiáng)，但投資較高；方案二通過(guò)調(diào)整空氣閥口徑及適當(dāng)位置設(shè)置真空吸氣閥，可有效防護(hù)水錘負(fù)壓，并將水泵出水母管氣壓罐數(shù)量降低為1個(gè)，在提高安全性的同時(shí)極大地降低了工程造價(jià)。同時(shí)，方案二的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于方案一，即產(chǎn)生的負(fù)壓相對(duì)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(zhǎng)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(hù)措施不能有效消除負(fù)壓對(duì)輸水管線運(yùn)行安全的影響。按照瞬變流水力模型模擬計(jì)算后得到在泵出口閥門(mén)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(hù)效果較為理想。

② 對(duì)于我國(guó)東北地區(qū)的輸水工程，出于對(duì)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(jì)性和工程特點(diǎn)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(hù)效果[5]。