長距離壓力輸水管道停泵水錘分析和防護措施討論

歐陽于藍　張恒

【摘 要】湖北省某21萬m3/d長距離輸水工程，輸水距離長且管道起伏較大，在取水泵房中加壓輸送，水泵揚程63m，一旦發(fā)生停泵水錘事故會導致管道和設備的驟然炸破。以本工程為例，采用美國BENTLEY公司的水錘計算軟件HammerV8，建立管線水錘計算模型。分析結果表明，增加排氣閥、設置注氣微排閥和修改閥門閉合形式可以有效防護長距離輸水工程中的水錘危害。

【關鍵詞】長距離壓力輸水管道；Hammer；V8；停泵水錘；防護措施

引言：

長距離輸水工程管線長，管道起伏大，輸水安全性要求高，而水錘是影響長距離壓力輸水工程運行的一個重要因素，根據(jù)調查統(tǒng)計，在城市給水閥門和工業(yè)企業(yè)的給水泵站中，絕大部分水錘事故都屬與停泵水錘事故。水錘事故危害性很大，會導致管道和設備的驟然炸破。其中停泵水錘較其他類型水錘（關閥水錘、水泵啟動水錘和變速水錘等）危害更大，發(fā)生最普遍。因此本工程在對壓力系統(tǒng)水錘分析時只對停泵水錘進行分析并提出防范措施。

1.工程概況

湖北省某長距離輸水工程，設計流量：20萬m3/d（考慮5%的沿程漏損和水廠自用水后為21萬m3/d），從取水泵房至水廠主要采用焊接鋼管，雙管并聯(lián)，單線長6.2km，管徑為DN1200，壁厚10mm；取水泵房設計地面38.5m，泵進口約37.15米，原水引水管余壓約2.5-5m。水廠設計地面標高97.5m，配水井水位標高101.3m，原水進水余壓1.0m。

2.模型建立

2.1應用軟件簡介。本工程水錘分析軟件采用奔特力-海思德軟件公司的HAMMER軟件，該軟件將水錘效應（waterhammer）的復雜原理結合成為簡單易用的工程工具，建模以節(jié)點和管段的穩(wěn)態(tài)計算結果為基礎，協(xié)助水利工程師順利地進行任何復雜的水錘水擊水力計算與設計。

2.2建模數(shù)據(jù)。水泵參數(shù)：4臺水泵并聯(lián)工作，3用1備。其中PMP-1及PMP-2水泵Q=2188m3/h、H=63m，電機功率560kW。PMP-3及PMP-4水泵Q=4375m3/h、H=63m，電機功率1000kW。PMP-4為備用泵。

根據(jù)取水泵房內遠期水泵配置和原水壓力管道平面方案布置圖及簡化的縱斷面圖，建立水錘計算模型。示意如下：

水錘計算模型示意圖（泵站部分）

管道縱斷面走向坡度較大，管線穩(wěn)態(tài)運行時水力坡降線如下圖所示：

管線近期正常運行時（穩(wěn)態(tài)）水力坡降線

由上圖可知，管線穩(wěn)態(tài)運行時泵后壓力最大為70m，管道沿線各節(jié)點壓力在70m水頭范圍內，而設計中要求原水輸水管的安全可靠性較高，設計泵站后管道采用D1220X10鋼管，管線在遠期21萬m3/d設計流量時可以保證在流量恒定的前提下安全運行，危及管線系統(tǒng)安全的潛在因素是由于事故停泵而引起的停泵水錘，這也是本設計關注的重點。

3.停泵水錘分析及防護措施

3.1水錘計算考察對象。考察從設計起點（即取水泵房出水總管）到設計終點（水廠進水配水井）之間的管段在水錘模擬時間內產(chǎn)生的最高水錘壓力值的和最低水錘壓力值所形成的水錘包絡線。根據(jù)水錘包絡線判斷是否有超過管道承壓能力的現(xiàn)象，同時考察水泵是否有倒轉，倒轉轉速及時間是否符合相關規(guī)定。

3.2水錘計算參數(shù)

3.3水錘計算結果分析：

⑴、未采取水錘防護措施時工況

單條管道沿線共設置2個DN100普通復合式排氣閥；在每臺SFWP80-400水泵的出水管上設置1個DN700普通止回閥，在SFWP80-600水泵的出水管上設置1個DN1000普通止回閥，停泵時迅速關閉。

將上述邊界條件輸入計算模型，得出如下圖所示的水錘包絡線：

未采取水錘防護設計水錘壓力包絡線圖

由上圖可知，一旦發(fā)生停泵水錘，管線最高自由水頭壓力值高達178mH2O（218m-40m），超過了管線設計的公稱壓力值1.2MPa（120mH2O），管線全程均出現(xiàn)大面積的負壓區(qū)，其中很大一部分管段有高達-12mH2O（40m-52m）的負壓，實際上水柱被拉斷氣化了，也就是產(chǎn)生了斷流彌合水錘，顯然不符合安全要求。

⑵、采取水錘防護措施后的工況

將管線沿線設置的4個DN100普通復合式排氣閥增加至16個，并將其中2個改成注氣微排閥（真空破壞與微量排氣復合閥），吸氣口徑100mm，排氣口徑10mm。另外將泵房內每臺水泵后的普通止回閥改為可多階段關閉的液控蝶閥，分兩階段關閉，先快關，后慢關，共歷時55s，其關閉規(guī)律描述如下：

由上圖可知，當采取適當?shù)乃N防護措施后，如果發(fā)生事故停泵，管線最高自由水頭壓力值約為0.9MPa，小于管線設計的公稱壓力值1.2MPa，而且全管負壓區(qū)范圍大大減小，負壓值也減小很多，最大負壓在-5mH2O的范圍之內，基本沒有形成斷流彌合水錘，故方案可行。

另外，計算得出SFWP80-600水泵在計算歷時最大轉速為990rpm，最小轉速為-416rpm，SFWP80-400水泵在計算歷時最大轉速為1480rpm，最小轉速為-895rpm，雖然發(fā)生短時間水泵倒轉，但倒轉轉速未超過額定轉速的1.2倍，滿足規(guī)范要求。

4水錘防護措施及建議

1、鑒于排氣閥在保證長距離輸水管道安全運行中起到的重要作用，建議工程在設計、施工過程中重視管道沿線排氣閥的設置，保證管線每一個較明顯的局部隆起點均設置有排氣閥，另外保證在較長的平緩管段每隔500～1000m也設有排氣閥，其中位于隆起點的排氣閥應該采用具有高速和微量排氣雙功能的復合式排氣閥；另外要保證排氣閥的質量，要求管道上安裝的排氣閥在充水過程中，無論管內水流處于何種流態(tài)，都能夠打開大小排氣孔高速排氣；而在管線正常運行過程中，復合式排氣閥的大孔關閉，只有小孔在適當?shù)臅r候自動打開微量排氣（只排氣不漏水）；所有排氣閥在管線處于負壓狀態(tài)時（如泄水檢修或由于水錘產(chǎn)生負壓時）能夠向管內注入空氣消除管道內的負壓。

2、本工程管道沿線共設置14個DN100復合式排氣閥，2個注氣微排閥，平均810米安裝一個，吸排氣口徑不小于100mm；在每臺水泵的出水管上設置1液控蝶閥，停泵時，該閥門分兩階段關閉。先快關，后慢關，總歷時不少于60s。

3、重視充水啟動過程，管道初次充水啟動應控制充水流速不超過0.5m/s，密切關注沿線排氣閥的工作狀態(tài)，保證其排氣通暢。

4、輸水系統(tǒng)檢修或其它工況需要停泵時，應按正常操作規(guī)程要求做到先關閥、后停泵，而不應直接斷電停泵。

5、水泵出口液控蝶閥的關閉控制參數(shù)可在本計算的基礎上進行進一步優(yōu)化，并在實踐中摸索出更佳的控制值。