太平灣供水工程水錘數(shù)值模擬分析

欒俊亮，伏世紅，宿 祺

（1大連市水利建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021；2.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 序 言

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線工程而言，如果遇到斷電導(dǎo)致水泵停車或閥門突然關(guān)閉等極端破壞情況，會(huì)引起管道內(nèi)流速急速的變化，從而導(dǎo)致管道內(nèi)水流壓強(qiáng)劇烈的升高或降低，為避免事故水錘時(shí)超過管道的承壓能力及管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓破壞，因此需要事先進(jìn)行水錘數(shù)值模擬分析計(jì)算來進(jìn)行分析并采取相應(yīng)技術(shù)措施。

水錘防護(hù)的主要目的是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生并將水錘危害程度降到最低。前者要求運(yùn)行管理者使輸水系統(tǒng)保持正常工況；后者要求設(shè)計(jì)者事先制訂水錘防護(hù)策略，運(yùn)行管理者及時(shí)采取相應(yīng)的水錘防護(hù)措施。

1 工程概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

太平灣供水工程輸水線路長(zhǎng)度17.75 km，輸水規(guī)模為10.80萬m3/d，輸水管線采用2根DN900鋼管雙線輸水，管線首部與東風(fēng)水庫(kù)壩下加壓泵站相連，末端進(jìn)入新建凈水廠。工程近期采用改造現(xiàn)有泵站方式輸水，輸水量為5.40萬m3/d，水泵采用2用1備方式，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1125 m3/h，揚(yáng)程38.30 m；遠(yuǎn)期水源來自碧流河水庫(kù)重力流4.30萬m3/d和東風(fēng)水庫(kù)6.50 m3/d，采取兩條管線獨(dú)立供水方式輸水，并需要自東風(fēng)水庫(kù)壩下新建加壓泵站，3用1備，單泵設(shè)計(jì)流量902.78 m3/h，揚(yáng)程44.20 m。

這次水錘試驗(yàn)針對(duì)源水輸水管線設(shè)計(jì)情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，做出綜合結(jié)論，以確認(rèn)是否有必要采取進(jìn)一步的技術(shù)措施，保證供水安全性。文中所做的分析內(nèi)容如下：

1）穩(wěn)態(tài)分析。結(jié)合管線運(yùn)行方式，分析、校核管線設(shè)計(jì)承壓能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）水錘計(jì)算分析。結(jié)合所選水錘防護(hù)設(shè)備，分析空氣閥、兩階段閥、調(diào)壓閥、抗水錘氣壓罐、超壓泄壓閥等設(shè)備對(duì)泵站及輸水管線的水錘防護(hù)效果。

該工程近期改造泵站供水量為5.40萬m3/d，遠(yuǎn)期新建泵站供水量10.80萬m3/d。

2 水錘防護(hù)設(shè)備

水錘防護(hù)設(shè)備選擇是水錘分析計(jì)算的主要目的之一。水錘防護(hù)有兩層含義，第一層含義是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生；第二層含義是將水錘危害程度降到最低。根據(jù)當(dāng)前水錘防護(hù)的技術(shù)水平和通用防護(hù)措施，從水錘防護(hù)設(shè)備的可靠性、管理方便、制造工藝水平、自動(dòng)化程度等角度綜合考慮后，工程水錘有效的防護(hù)設(shè)備主要采用空氣閥、兩階段閥、超壓泄壓閥和抗水錘氣壓罐。

3 水錘分析

1）水錘分析依據(jù)。（CECS193-2005）《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）工程技術(shù)規(guī)程》中，提到“水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)，應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍的最大工作壓力。壓力輸水管線，事故停泵后水泵反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2 min?！惫仕N分析最大壓力不得超過1.5倍承壓能力。

2）事故停泵全線無水錘防護(hù)設(shè)備水錘模擬。對(duì)管線進(jìn)行事故停泵全線無水錘防護(hù)設(shè)備水錘模擬計(jì)算，通過分析計(jì)算可知：全線最大壓力（自由水頭）均未超出1.5倍承壓能力，但各工況管線負(fù)壓嚴(yán)重，會(huì)發(fā)生水柱分離，不滿足水錘防護(hù)要求，管道會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓破壞，因此泵站內(nèi)及管線需要增加水錘防護(hù)設(shè)備。

3）事故停泵全線有水錘防護(hù)設(shè)備水錘模擬。在設(shè)置空氣閥基礎(chǔ)上，通過設(shè)置各種水錘防護(hù)設(shè)備進(jìn)行全線事故停泵水錘防護(hù)模擬。

當(dāng)水泵出口處設(shè)置兩階段閥時(shí)，通過第一階段快關(guān)和第二階段慢關(guān)來進(jìn)行水錘防護(hù)。根據(jù)多種關(guān)閥方案模擬，比選出最佳關(guān)閥時(shí)間：改造泵站（雙線運(yùn)行）工況第一階段快關(guān)（關(guān)閉70%開度）30 s，第二階段慢關(guān)40 s（關(guān)閉30%開度）。新建泵站（單線運(yùn)行）工況第一階段快關(guān)（關(guān)閉70%開度）25 s，第二階段慢關(guān)25 s（關(guān)閉30%開度）。

通過計(jì)算分析可知：①改造泵站（雙線運(yùn)行）工況下通過兩階段閥，可以有效緩解管線負(fù)壓?jiǎn)栴}。事故停泵時(shí)全線最大壓力（自由水頭）均小于1.5倍承壓能力，水泵轉(zhuǎn)速以及水泵閥后壓力滿足要求；全線負(fù)壓滿足要求，該方案滿足水錘防護(hù)要求。②新建泵站（單線運(yùn)行）工況下兩階段閥不能有效緩解管線負(fù)壓?jiǎn)栴}，局部管線負(fù)壓嚴(yán)重，出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，不滿足水錘防護(hù)計(jì)算要求，因此需在此基礎(chǔ)上增加水錘防護(hù)設(shè)備，以保證管線安全運(yùn)行。

為解決新建泵站（單線運(yùn)行）工況管道負(fù)壓?jiǎn)栴}，結(jié)合本工程特點(diǎn)及以往計(jì)算分析經(jīng)驗(yàn)，需設(shè)置抗水錘氣壓罐等水錘防護(hù)設(shè)備，用以消除管線負(fù)壓，保證供水安全。

4 水錘防護(hù)設(shè)備分析及建議

1）根據(jù)管線地形及水錘防護(hù)計(jì)算結(jié)果綜合分析，建議適當(dāng)調(diào)整空氣閥位置及口徑。即空氣閥總數(shù)不變，對(duì)位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，口徑采用DN80。其中20處復(fù)合式空氣閥，7處三級(jí)緩排式空氣閥。在管線坡峰處設(shè)置三級(jí)緩排式空氣閥，在管線起伏不大處設(shè)置復(fù)合式空氣閥。

三級(jí)緩排式空氣閥，即將低壓排氣過程分為兩個(gè)階段：低壓差時(shí)全速排氣，較高壓差時(shí)限制排氣速度。消除水錘等特殊工況下因全速排氣而產(chǎn)生的斷流彌合水錘。與復(fù)合式空氣閥相比，閥體多增設(shè)一個(gè)緩沖裝置，可以控制管道沖水時(shí)或水柱彌合時(shí)的排氣量，以減少水力沖擊的影響，平穩(wěn)的關(guān)閉氣閥。一般設(shè)置在易發(fā)生水錘現(xiàn)象或水柱拉斷的管道高點(diǎn)處。

復(fù)合式空氣閥，即沒有緩排功能的組合式空氣閥。是低壓進(jìn)排氣閥和高壓微量排氣閥的組合體，同時(shí)具備高壓微量自動(dòng)排氣和低壓進(jìn)排氣功能。一般設(shè)置在管線平坦段或管線起伏不大處。

全線空氣閥主要口徑為DN80，即有效進(jìn)氣口口徑為75 mm，有效排氣大口口徑75 mm，有效排氣小口口徑（緩排口徑）15 mm，排氣大口口徑與排氣小口口徑轉(zhuǎn)換壓力為0.2 m水柱。

2）在新建泵站水泵出水母管處設(shè)置1個(gè)氣壓罐，體積5.0 m3，充存壓力20 kPa，承壓能力1.2 MPa。

3)在各水泵出口設(shè)置兩階段閥，口徑DN400。改造泵站關(guān)閥時(shí)間前30 s關(guān)閉70%，后40 s關(guān)閉30%；新建泵站關(guān)閥時(shí)間前2 s關(guān)閉70%，后25 s關(guān)閉30%。

4）《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定“超壓泄壓閥一般應(yīng)設(shè)在泵站出水總管起端、重力流輸水管末端的關(guān)閉閥上游?！币虼?，經(jīng)計(jì)算分析，建議在水泵出水總管起端安裝超壓泄壓閥，作為水錘后防護(hù)，以保證管線安全運(yùn)行。泄壓閥口徑DN200，超壓泄壓閥動(dòng)作值99 m。

5）由于管線近期、遠(yuǎn)期運(yùn)行工況不同，因此需針對(duì)兩根管道流量及減壓情況選取不同減壓閥。即近期安裝2個(gè)DN400減壓閥（一根管線一個(gè)），恒壓式減壓閥，即保證出口壓力恒定為7.85 m；遠(yuǎn)期更換泵送流管道不需要減壓，更換減壓閥為閘閥；重力流管道減壓閥正常運(yùn)行。

5 結(jié) 論

通過對(duì)輸水管線的最不利運(yùn)行情況進(jìn)行了水錘數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明數(shù)值模擬可以較好的計(jì)算出水錘發(fā)生時(shí)管道最大壓力及負(fù)壓破壞情況。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置空氣閥、超壓泄壓閥等水錘防護(hù)設(shè)備，可以達(dá)到消除管道負(fù)壓的效果，從而保證供水管線的安全運(yùn)行。