泵站水錘風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估方法研究

王婷婷

（江蘇瑞沃建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 高郵 225600）

我國水資源分布不均，東南多西北少，南部多丘陵地帶，地勢(shì)起伏差異大、各地降水量變化大等自然客觀條件，使我國出現(xiàn)了很多大流量、長距離、管道敷設(shè)曲折、高揚(yáng)程的供水工程。此類工程的供水安全性關(guān)乎經(jīng)濟(jì)民生，而水錘問題在此類工程供水工程安全性問題最突出。一旦發(fā)生水錘事故，輕則設(shè)備損壞、管道破裂加劇漏損，重則泵房淹沒、路面損壞、人身傷亡，造成慘重的經(jīng)濟(jì)損失。

故判斷泵站建設(shè)工程是否可能發(fā)生水錘、是否需要設(shè)置水錘防護(hù)措施是必要且必須的。然而，我國目前的市政、二供市場缺乏水錘模擬普及應(yīng)用的水平和能力，使水錘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防治未能廣泛應(yīng)用于工程中，提出一套簡單有效的評(píng)估方法具有應(yīng)用普及意義。

1 我國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)水錘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的缺乏

在我國的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)水錘規(guī)定闡述較多的是《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，它規(guī)定：“有可能產(chǎn)生水錘危害的泵站，在各設(shè)計(jì)階段均應(yīng)進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算”，并對(duì)事故停泵瞬態(tài)的系統(tǒng)最高壓力、水柱連續(xù)性作出規(guī)定，建議了高揚(yáng)程、長壓力管道的泵出口兩階段關(guān)閉時(shí)液壓操作閥門的應(yīng)用。在《城鎮(zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：“長距離管道輸水系統(tǒng)應(yīng)在輸水線路、輸水方式、管材、管徑等方面進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較和安全論證，并應(yīng)對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程分析，采取水錘綜合防治措施”。

顯然，國標(biāo)規(guī)定的“有可能發(fā)生水錘危害的泵站”“安全論證”“過渡過程分析”并未明確地表達(dá)一種切實(shí)、有效、可行、簡便的評(píng)估方法來判定泵站工程水錘發(fā)生的可能性或風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)比較簡單，學(xué)過矩陣知識(shí)的的工程人員可以輕松地解出，有利于在工程設(shè)計(jì)中快速判斷其水錘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.1 泵站水錘核心影響因素

龍俠義在其碩士學(xué)位論文中，基于HAMMER軟件建立水錘計(jì)算模型，并基于Design-Expert軟件，采用Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得出：靜壓差、流量、波速、管長、關(guān)閥歷時(shí)對(duì)閥前最大壓力的影響是顯著的。然而，在實(shí)際泵站設(shè)計(jì)和建設(shè)中，流量即設(shè)計(jì)規(guī)模、供水規(guī)模，需要滿足用戶需求量，是一個(gè)必須要保證的值，通過改變流量來控制泵站事故水錘在現(xiàn)實(shí)工程中是沒有現(xiàn)實(shí)意義的。本文基于龍碩士的研究結(jié)論結(jié)合工程實(shí)際與軟件模擬確定泵站水錘的核心影響因素。

本文基于HAMMER軟件建立水錘計(jì)算基礎(chǔ)模型，管路系統(tǒng)由上游水池R-1、三臺(tái)水泵PMP-1/2/4（67m揚(yáng)程）、管線（初始管徑800mm）、節(jié)點(diǎn)（初始絕對(duì)標(biāo)高42.64-95.75）、節(jié)流閥FCV-1（設(shè)置為1800m3/h）、下游水池R-2組成，如圖1所示。

圖1 水錘計(jì)算模型

在流量不變的情況下改變管徑，模擬其停泵水錘，得出如圖2數(shù)據(jù)：

圖2 同流量不同流速下的停泵水錘模擬記錄

在同一模型流量不變的情況下，通過改變管徑以改變供水管道內(nèi)的流速，其停泵水錘壓力隨流速的改變而改變，可見水錘是受管道內(nèi)流速影響而非流量。流量是管徑和流速的乘積，當(dāng)管徑一定時(shí)，流量是由流速?zèng)Q定的，采用流速作為水錘影響因素更具實(shí)際意義。

泵站后的供水管路在設(shè)計(jì)、建設(shè)泵站前通常已經(jīng)敷設(shè)完畢，即由管材決定的波速已經(jīng)確定，無法通過改變波速控制泵站事故水錘。通過關(guān)閥歷時(shí)來控制水錘是一種有效的水錘防治手段，將其作為控制手段來模擬更合適。

綜上，本文主要考慮靜壓差、管長、流速三大核心影響因素為評(píng)估對(duì)象，因素集U={靜壓差，流速，管長}，影響因素越少，矩陣計(jì)算越簡單，越有利于快速得出結(jié)論。

2.2 評(píng)語集

本文擬通過HAMMER模型多次模擬對(duì)比，確定模糊綜合評(píng)價(jià)方法中不可缺少的評(píng)語集。

2.2.1 管長因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m3/h）不變，改變管長來模擬停泵水錘數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 管長因素模擬

由于水泵揚(yáng)程67m，選擇承壓等級(jí)為1.0MPa的管道是最經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)水錘最高壓力超過100+42.64（起點(diǎn)高程）=142.64時(shí)，管道超出承壓范圍，存在爆管風(fēng)險(xiǎn)。由圖可見，管長5Km以內(nèi)可以認(rèn)定為：不發(fā)生水錘或不需要采取水錘控制措施；管長5～10Km時(shí)，水錘最大壓力有所上升，臨近管道承受壓力等級(jí)，需要采取少量措施降低水錘；當(dāng)管長超過10Km時(shí)，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風(fēng)險(xiǎn)，需要采取多項(xiàng)措施降低水錘壓力。

故對(duì)于管長因素，其低、中、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以按5Km、10Km、15Km評(píng)價(jià)，V管長=[5,10,15]。

2.2.2 靜壓差因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的供水管道管長（1320m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m3/h）不變，改變模型的靜壓差來模擬停泵水錘數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 靜壓差因素模擬

由圖可見，靜壓差在30m以內(nèi)可以認(rèn)定為：不發(fā)生水錘或不需要采取水錘控制措施；靜壓差在30～45m時(shí)，水錘最大壓力有所上升，需要采取少量措施降低水錘。靜壓差超過45m時(shí)，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風(fēng)險(xiǎn)，需要采取多項(xiàng)措施降低水錘壓力。

故對(duì)于靜壓差因素，其低、中、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以按30m、45m、50m評(píng)價(jià)，V管長=[30,45,50]。

2.2.3 流速因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、管長（13200m）、流量（1800m3/h）不變，改變流速來模擬停泵水錘數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 流速因素模擬

由圖可見，流速在1m/s以內(nèi)可以認(rèn)定為：不發(fā)生水錘或不需要采取水錘控制措施；流速在1～1.15m/s時(shí)，水錘最大壓力有所上升，需要采取少量措施降低水錘。流速在1.15m/s以上時(shí)，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風(fēng)險(xiǎn)，需要采取多項(xiàng)措施降低水錘壓力。

故對(duì)于流速因素，其低、中、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可以按1m/s、1.15m/s、1.2m評(píng)價(jià)，V管長=[1,1.15,1.2]。

綜上，水錘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)V可以按表1執(zhí)行。

表1 水錘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 權(quán)重確定

本文利用HAMMER模擬軟件，通過改變?nèi)齻€(gè)影響因素造成的水錘最大壓力之間的相互比對(duì)，以確定某一影響因素相對(duì)另一影響因素更重要，進(jìn)而確定權(quán)重。水錘模擬采用評(píng)價(jià)集中的低、中數(shù)值對(duì)評(píng)估項(xiàng)進(jìn)行模擬，模擬出的水錘最大壓力數(shù)據(jù)見圖6。

由圖可見，流速較管長更重要，靜壓差較管長更為重要，而靜壓差和流速的重要程度基本相同。權(quán)重集A={3,3,1}。

2.4 單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣和綜合評(píng)判

通過指派法，根據(jù)評(píng)語集計(jì)算各指標(biāo)對(duì)每個(gè)評(píng)語的隸屬率，記為Ri。

利用公式B=A·R，求得綜合評(píng)判結(jié)果，集合B中數(shù)值最大的評(píng)語即為綜合評(píng)判的結(jié)果。

3 評(píng)價(jià)方法案例驗(yàn)證

泵站設(shè)計(jì)規(guī)模300m3/h，供水至6公里以外的城鎮(zhèn)，地勢(shì)沿程逐漸升高35m，管道敷設(shè)為DN300的球墨鑄鐵管。根據(jù)管徑、流量、公式計(jì)算流速為1.14m/s。

本文在HAMMER中建立模型，模擬該項(xiàng)目的停泵水錘情況，水錘最大壓力約為103m，需要采取少量確實(shí)降低為100m以下。當(dāng)在地勢(shì)最高位置安裝單向調(diào)壓塔后，水錘最高壓力降低為95m，不超過管道承壓壓力，見圖7所示。模擬結(jié)果是符合本文所述評(píng)價(jià)方法的。

圖7 案例停泵水錘模擬

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過案例的模糊評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果與HAMMER模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了利用三因素一級(jí)模糊評(píng)價(jià)評(píng)估方法快速判斷泵站水錘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是可行的?？焖倥袛嗖襟E：（1）計(jì)算出項(xiàng)目的流速、高程差、管長；（2）利用隸屬率函數(shù)1-1～1-3和表1水錘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出模糊評(píng)價(jià)矩陣Ri。（3）利用綜合評(píng)價(jià)矩陣，得出B矩陣。（4）B矩陣得數(shù)對(duì)應(yīng)低、中、高風(fēng)險(xiǎn)，得數(shù)最高的即為該泵站的水錘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為低，認(rèn)為該泵站不發(fā)生水錘或無須采取水錘防治措施；風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為中，認(rèn)為該泵站需采取單項(xiàng)或少量水錘防治措施；風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為高，認(rèn)為該泵站需采取多項(xiàng)水錘防治措施才能防止水錘發(fā)生時(shí)的巨大破壞。

4.2 建議

在泵站工程、市政工程實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，特別是在早期可研方案設(shè)計(jì)階段，可利用本文所述的快速評(píng)估方法判斷工程的水錘風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，有利于減少方案設(shè)計(jì)階段的工作量。

利用快速評(píng)估方法判斷出泵站工程存在中、高風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行水力過渡過程分析，利用模擬軟件配合防治措施將水錘控制在管網(wǎng)可承受范圍內(nèi)，保證供水系統(tǒng)的安全性。