非洲地區(qū)供水工程水錘防護(hù)技術(shù)探討

趙佃龍

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

長(zhǎng)距離管道鋪設(shè)、供電不穩(wěn)定、供水系統(tǒng)維護(hù)不及時(shí)等因素，造成非洲地區(qū)供水設(shè)施和供水管道水錘現(xiàn)象頻發(fā)。適合特定工程環(huán)境下的非洲地區(qū)供水設(shè)施水錘防護(hù)技術(shù)值得研究。

本文結(jié)合筆者多年非洲地區(qū)供水工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，通過現(xiàn)象分析、機(jī)理研究、數(shù)值模擬以及防護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果分析，對(duì)適合非洲地區(qū)工程環(huán)境特點(diǎn)的水錘防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，可為非洲地區(qū)其他類似水務(wù)工程建設(shè)提供一定的借鑒和參考。

2 水錘現(xiàn)象及其危害

水錘現(xiàn)象普遍存在，對(duì)供水系統(tǒng)的危害較為嚴(yán)重，特別是在電力設(shè)施較為落后的非洲國(guó)家。由于停電事故頻發(fā)，致使供水水泵機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)，離心泵停車反轉(zhuǎn)，引發(fā)停泵水錘現(xiàn)象，經(jīng)常造成管道“跑水”、停水。嚴(yán)重的水錘事故常常造成輸水管爆管、水泵和閥門破裂、泵房被淹，甚至造成人身傷亡等惡性事故[1]270。

在撒哈拉以南的非洲地區(qū)，許多城市由于水源性缺水需要長(zhǎng)距離取水，因電力不穩(wěn)定、管道供水設(shè)施老化加之維護(hù)不及時(shí)、不到位等原因，極易形成嚴(yán)重的高壓事故水錘。

水錘現(xiàn)象除了對(duì)供水管道和供水設(shè)施造成破壞以外，還會(huì)引發(fā)高額的供水系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，或增加民眾用水成本，或因財(cái)力不濟(jì)而無力維修，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

3 水錘現(xiàn)象機(jī)理及常用防護(hù)措施

3.1 水錘現(xiàn)象機(jī)理

水錘現(xiàn)象非常普遍，其產(chǎn)生的主要原因是在供水中由于啟泵、停泵、快速啟閉閥門或改變水泵轉(zhuǎn)速，致使管道內(nèi)水流速度發(fā)生急劇變化而引起失電停泵、輸水管道爆管。常年處在高溫狀態(tài)下的供水管道，也會(huì)因維護(hù)能力的欠缺、閥門生銹老化、水泵間歇性停車等引起事故水錘，造成嚴(yán)重破壞。

當(dāng)管道中水柱連續(xù)時(shí)，水流壓力小于水泵工作水頭為正常壓力波動(dòng)；當(dāng)出現(xiàn)水柱中斷進(jìn)而再?gòu)浐蠒r(shí)，水流壓力急劇提升至大于工作水頭，稱作事故水錘。

斷流空腔再?gòu)浐纤N具有較強(qiáng)的破壞性。在水流水力過渡中某處管道的壓強(qiáng)比水溫汽化壓力低時(shí)，水流將發(fā)生汽化從而形成水蒸汽空腔，切斷水流水柱破壞其流動(dòng)的連續(xù)性；當(dāng)切斷的兩股水流水柱再重新相遇彌合時(shí)，兩股水流劇烈撞擊形成高壓沖擊力。

特別是在長(zhǎng)距離供水、氣溫高、地形起伏變化較大的供水項(xiàng)目，在一條供水管線上同時(shí)發(fā)生多處水柱水流分離現(xiàn)象較為普遍。如果其發(fā)生在水泵出口附近位置，斷流彌合水錘的危害性更大，甚至造成水房被水淹沒的慘狀[2]。

3.2 水錘常用防護(hù)措施

根據(jù)不同類型的水錘現(xiàn)象，可通過運(yùn)用不同的防護(hù)技術(shù)來緩解和消除水錘現(xiàn)象造成的危害和損失。

(1)用增大輸水管道管徑來降低供水管道中水流流速的方法，在一定程度可降低水錘壓力，但不利因素是因管徑增大而增加工程投資。

(2)供水管道的輸水管線位置設(shè)計(jì)時(shí)，要通過避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變，合理規(guī)避鋪設(shè)地形起伏變化較大的供水管線；盡量將管道沿線位置設(shè)計(jì)在最低壓力線以上，可防止水流水柱中斷。

(3)設(shè)置水錘消除裝置，通過設(shè)置水錘消除罐、組合式空氣閥、雙向調(diào)壓塔、緩閉止回閥、超壓泄壓閥、安裝管道止回閥等水錘消除裝置來抑制和緩解水錘現(xiàn)象[1]280。

(4)通過延長(zhǎng)關(guān)(開)閥的時(shí)間Ts來防止關(guān)(開)閥水錘，對(duì)于長(zhǎng)距離的供水管道系統(tǒng)，選擇關(guān)閥時(shí)間是防止管道水錘現(xiàn)象的一種非常重要技術(shù)。

(5)當(dāng)水泵必須在空管狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，采用分階段開閥啟泵方式也可以防止和降低啟泵水錘造成的危害。

以上是幾種水錘防護(hù)技術(shù)。在經(jīng)濟(jì)條件相同的情況下，可優(yōu)先選擇:增加供水管道直徑和管道壁厚的方法；選用GD2較大的電動(dòng)機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)功率；改變供水管路縱剖面的布置形式；對(duì)于大中型水泵站，安裝具有可兩階段關(guān)閉的止回閥、快開電動(dòng)蝶閥在水泵出口處，可降低水泵倒轉(zhuǎn)幾率，防止供水系統(tǒng)的失水和管道沿線壓力升高現(xiàn)象[3]。

4 某項(xiàng)目水錘防護(hù)技術(shù)實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目背景及特點(diǎn)

筆者對(duì)坦桑尼亞姆萬扎市某供水項(xiàng)目的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行了跟蹤研究，本項(xiàng)目的建成基本解決當(dāng)?shù)毓┧倘眴栴}。本文重點(diǎn)分析該項(xiàng)目的水錘防護(hù)措施及應(yīng)用效果，主要工程內(nèi)容包括:取水口、原水管道、原水泵房、凈水廠、清水主管線、山上水池(或水塔)、配水管網(wǎng)等。項(xiàng)目基本情況:設(shè)計(jì)供水能力為3 000 m3/d、原水管道長(zhǎng)度410 m、原水管道管徑為DN250PN10、現(xiàn)凈水管道長(zhǎng)度5 080 m、現(xiàn)凈水管道管徑DN200PN25、配水管網(wǎng)長(zhǎng)度33 km。工程建設(shè)特點(diǎn):環(huán)境溫度35℃左右，地形較為平坦，線路條件較好，電力供應(yīng)不足，斷電頻繁，有必要進(jìn)行水錘防護(hù)分析[4-6]。

4.2 未考慮防護(hù)措施時(shí)的工況模擬

實(shí)施前，我們對(duì)未加設(shè)水錘防護(hù)措施的工況進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果顯示，不采取防護(hù)措施時(shí)，管道所承受的壓力變化較大，管道處在不安全的環(huán)境中。

圖1顯示在泵站內(nèi)瞬間失電時(shí)，在止回閥處出現(xiàn)了明顯的壓力振蕩現(xiàn)象，在整個(gè)壓力波動(dòng)過程中，泵停后最大壓力值超過3 MPa。管道全線有負(fù)壓情況出現(xiàn)，因此，水錘效應(yīng)非常明顯，管線處在不安全的環(huán)境中，需要考慮對(duì)應(yīng)的水錘防護(hù)措施。

圖1 未設(shè)置水錘防護(hù)措施的泵后壓力變化圖

圖2中顯示管道、水力坡降線及模擬停泵水錘工況中沿程管道每個(gè)點(diǎn)的最大及最小壓力，即壓力包絡(luò)線。

圖2 無保護(hù)狀態(tài)下的主管道壓力包絡(luò)線

4.3 泵站及管道參數(shù)

項(xiàng)目采用的泵站參數(shù)見表1，管道參數(shù)見表2。

表1 泵站參數(shù)

表2 管道參數(shù)

4.4 水錘防護(hù)方案的選擇

根據(jù)水錘模擬分析及計(jì)算，結(jié)合本項(xiàng)目環(huán)境特點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)常用水錘防護(hù)措施進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比對(duì)，在確定水泵選型和管道參數(shù)的情況下，本項(xiàng)目采用了設(shè)置兩種水錘防護(hù)裝置來減緩水錘沖擊的實(shí)施方案，具體為:在距離水泵出口大約5 m處安裝一臺(tái)內(nèi)膽式水錘消除罐，管道沿線分別在0＋158、0＋548、1＋877、2＋547處安裝4臺(tái)組合式空氣閥。

4.4.1 內(nèi)膽式水錘消除罐

內(nèi)膽位于罐體底部或側(cè)面進(jìn)出口處，內(nèi)膽與罐內(nèi)頂部相連，伸展后可占據(jù)整個(gè)罐體，從而實(shí)現(xiàn)更大壓縮空間達(dá)到內(nèi)膽受力均勻、受力小的目的，氣體被壓縮在內(nèi)膽和罐壁之間，內(nèi)膽不會(huì)被拉伸。當(dāng)罐內(nèi)所有液體的體積占罐體容積10%～20%甚至更大比例時(shí)，液體排入管道系統(tǒng)后可避免系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓，水柱前進(jìn)受阻后朝著水泵逆向返回，該裝置將重新注水。罐內(nèi)空氣被壓縮時(shí)水錘波得到了有效的緩沖和抑制，該過程會(huì)反復(fù)多次，直到整個(gè)供水系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。本項(xiàng)目采用了空氣體積0.2 m3，壓力0.77 MPa，容積為1.0 m3的內(nèi)膽式水錘消除罐。內(nèi)膽式水錘消除罐技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 內(nèi)膽式水錘消除罐技術(shù)參數(shù)

4.4.2 組合式空氣閥

該空氣閥安裝在供水管道中可防止空氣積聚于管道高點(diǎn)、邊坡拐點(diǎn)及道路/河流交叉處，防止供水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)和水錘事故。本項(xiàng)目采用了DN80PN25組合式空氣閥，組合式空氣閥進(jìn)排口規(guī)格見表4。

表4 組合式空氣閥排氣口規(guī)格

4.5 采取防護(hù)措施后的工況模擬分析

圖3表明，在泵站失電時(shí)，泵站內(nèi)水錘防護(hù)措施發(fā)揮作用后，可顯著減弱水錘效應(yīng)，可將壓力波動(dòng)控制在一個(gè)安全的范圍內(nèi)，使得管道內(nèi)的壓力在短時(shí)間內(nèi)由動(dòng)態(tài)較平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變成靜態(tài)，最終整條管道內(nèi)壓力保持在0.4 MPa以下。

圖3 設(shè)置水錘防護(hù)裝置后泵后壓力變化曲線圖

項(xiàng)目采用水錘消除罐和組合式空氣閥聯(lián)用措施，通過模擬兩種裝置聯(lián)用工況來確定其防護(hù)效果。圖4中展示了受保護(hù)后的管道壓力包絡(luò)線，從圖中可知，整條管線受到有效全面的保護(hù)。

圖4 設(shè)置水錘防護(hù)裝置后的管道壓力包絡(luò)線

5 實(shí)施效果及技術(shù)創(chuàng)新展望

5.1 采取水錘防護(hù)技術(shù)后的效果分析

由于該項(xiàng)目水泵采用變頻啟動(dòng)技術(shù)，因此正常停泵時(shí)不會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。經(jīng)過上述水錘防護(hù)系統(tǒng)的模擬分析，水廠采取了水錘消除罐和組合式空氣閥兩種裝置聯(lián)合應(yīng)用的方式組成的水錘防護(hù)系統(tǒng)。經(jīng)過多年運(yùn)行，水錘消除罐和主管線上所有組合式空氣閥全部運(yùn)行良好，水錘防護(hù)效果顯著。

從泵房及管道沿線現(xiàn)場(chǎng)觀察來看，當(dāng)人為隔離水錘消除罐，斷電停泵后由于水柱回流同時(shí)單向閥關(guān)閉，能聽到較為強(qiáng)烈的水流沖擊聲音，同時(shí)管道沿線組合式空氣閥有明顯的吸氣現(xiàn)象(用于抵消管道內(nèi)的負(fù)壓)，供水管道的振動(dòng)非常明顯；當(dāng)水錘消除罐和組合式空氣閥全部正常運(yùn)行時(shí)，斷電停泵后則聽不到水柱回流撞擊單向閥的聲音，同時(shí)供水管道的振動(dòng)明顯減弱。由此說明，該水錘防護(hù)系統(tǒng)起到了明顯的水錘防護(hù)作用。

5.2 技術(shù)創(chuàng)新和展望

5.2.1 技術(shù)創(chuàng)新

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)及非洲地區(qū)供水系統(tǒng)普遍存在水錘防護(hù)技術(shù)問題，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一種水錘防護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)連續(xù)的水錘緩沖裝置。該裝置包括三通管緩沖結(jié)構(gòu)及擾流弧形結(jié)構(gòu)組成，其特點(diǎn)是將三通管緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)置在距離水泵10～20 m的大口徑管道處，該結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有壓縮氣體，當(dāng)受到水錘沖擊時(shí)，壓縮氣體可抑制水錘帶給水泵的沖擊；擾流弧形結(jié)構(gòu)設(shè)置在水泵50～70 m管道處，因該結(jié)構(gòu)設(shè)置了一系列波浪式的擾流弧形塊，當(dāng)帶有負(fù)壓的水流通過該結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)釋放大量水錘沖擊力，從而有效緩沖水錘與供水管道之間的撞擊力，防止管道出現(xiàn)爆裂，該裝置對(duì)水泵與管道起到雙重保護(hù)作用。該裝置今后將會(huì)積極運(yùn)用于其他非洲地區(qū)供水項(xiàng)目，并進(jìn)一步驗(yàn)證其應(yīng)用效果[7]。

5.2.2 技術(shù)展望

(1)簡(jiǎn)化水錘防護(hù)系統(tǒng)。采用集成設(shè)備簡(jiǎn)化防護(hù)系統(tǒng)，降低占地面積。當(dāng)前采用的單(雙)向調(diào)壓塔、水錘消除罐等占地面積較大，將來開發(fā)一體化多功能防水錘閥或其他設(shè)備代替這種占地面積大的設(shè)備，以減少投資，降低工程成本。

(2)智能化水錘防護(hù)系統(tǒng)?？諝忾y、水錘消除罐、調(diào)壓塔、波動(dòng)預(yù)止閥等水錘防護(hù)設(shè)備的操作智能化、可視化，手機(jī)APP可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，設(shè)置報(bào)警功能，壓力過高或過低時(shí)報(bào)警。

(3)水錘在線監(jiān)控系統(tǒng)。采用SCADA系統(tǒng)及其他先進(jìn)可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在辦公室大屏幕在線實(shí)時(shí)監(jiān)控水錘防護(hù)效果和管線運(yùn)行狀態(tài)。

(4)泵房安裝UPS。一旦發(fā)生斷電事故，UPS還能持續(xù)提供電源，使得變頻器繼續(xù)工作，從而緩慢降低水泵速度，最后達(dá)到正常停泵的目的，從而最大可能降低水錘的發(fā)生。

6 結(jié)束語

(1)采用水錘消除罐和組合式空氣閥兩種裝置聯(lián)合應(yīng)用的方式組成的水錘防護(hù)系統(tǒng)對(duì)水錘現(xiàn)象的防護(hù)效果顯著，適合在電力供應(yīng)不穩(wěn)定的長(zhǎng)距離供水管線項(xiàng)目中推廣使用。

(2)水錘現(xiàn)象在非洲地區(qū)供水工程中較為常見，如處理不當(dāng)易造成管道破裂、設(shè)施損毀等破壞。水錘現(xiàn)象的防護(hù)可從管路規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和防護(hù)裝置等多個(gè)環(huán)節(jié)加以綜合考慮。

(3)水錘防護(hù)技術(shù)及其裝置的一體化、智能化、可視化需進(jìn)一步深入研究，以降低裝置安裝和調(diào)試難度，減少后期維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本。