宜賓市某輸水干管水力及水錘計(jì)算與水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

1 工程概況

本工程為宜賓市某供水工程，在原有DN1 200輸水干管末端新建1座加壓泵站，并配套建設(shè)高區(qū)輸水干管，其中泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m/d，土建一次實(shí)施，設(shè)備分期安裝，近期設(shè)備安裝供水規(guī)模為1萬(wàn)m/d；輸水干管按高區(qū)遠(yuǎn)期輸水規(guī)模一次建成，輸水規(guī)模4萬(wàn)m/d。輸水干管為1根，分為2段，前半段為DN800涂塑復(fù)合鋼管，長(zhǎng)約5.40km；后半段為DN400涂塑復(fù)合鋼管，長(zhǎng)約5.80km。DN800管段設(shè)計(jì)輸水規(guī)模按遠(yuǎn)期4萬(wàn)m/d考慮，時(shí)變化系數(shù)Kh=1.50，而后DN400管段設(shè)計(jì)輸水規(guī)模按1萬(wàn)m/d考慮（其余分流至中間城鎮(zhèn)用水點(diǎn)），時(shí)變化系數(shù)Kh=1.50，末端服務(wù)水頭0.28MPa。輸水干管布置見(jiàn)圖1。

圖1 輸水干管布置示意

2 管道水力計(jì)算

2.1 管徑計(jì)算

本輸水干管按輸水規(guī)模4萬(wàn)m/d一次建成，其高日高時(shí)流量：

對(duì)DN 400段計(jì)算同上，輸水規(guī)模按4萬(wàn)m/d計(jì)，時(shí)變化系數(shù)Kh=1.50。

2.2 水泵揚(yáng)程計(jì)算

表1 各管段水損計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選擇水泵揚(yáng)程：

Hp=Zc+Hc+hy+hj

式中：Zc—管網(wǎng)控制點(diǎn)與清水池最低水位的高差，m，本處為420.00-313.50=106.5m；

Hc—控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭，m，取28m水頭；

hy—沿程水頭損失，m，9.53+2.72+29.68=41.93m；

hj—局部水頭損失，m；取hy的10%計(jì)算，約4.2m；

計(jì)算水泵揚(yáng)程為：Hp=180.63m，取2m富余水頭，并取整為183.00m；

校核最高點(diǎn)：以最高點(diǎn)反算水泵揚(yáng)程則為：Hp1=473.00-313.50+9.83*1.1+2=172.31m，小于計(jì)算水泵揚(yáng)程，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 工作壓力計(jì)算

輸水干管出泵站后約1500m處，即為最低點(diǎn)，其標(biāo)高為301.00m，管網(wǎng)最大靜壓為313.50-301.00+183.00=195.50m，約合1.96MPa，考慮最不利段的管道及閥門附件承壓等級(jí)為2.50MPa。同時(shí)本著以供水安全的原則，并力求經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)本工程管材選擇如下：

加壓泵站至最高點(diǎn)段，采用管道及閥門附件承壓等級(jí)為2.50MPa；

最高點(diǎn)至末端用水點(diǎn)段，采用管道及閥門附件承壓等級(jí)為1.6MPa。

3 水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 基本參數(shù)

本工程最大運(yùn)行工況為水泵為2用1備，前段為1根DN800的主管，系統(tǒng)總流量為625m/h。單臺(tái)水泵參數(shù)：H=183~165~150m，Q=210~312.5~360m/h，轉(zhuǎn)速為1490轉(zhuǎn)/分鐘，水泵效率81.8~81.8~75%。水泵處標(biāo)高311.87m、止回閥處標(biāo)高311.87m，末端接管標(biāo)高420.00m。吸水池最低水位313.50m。止回閥采用重錘式液控蝶閥，口徑為DN400，流量系數(shù)Kv值為2262。輸水管為1根DN800、DN400的鋼管，壁厚為16mm、12mm，其摩擦系數(shù)-海森威廉系數(shù)取120，主輸水管線總長(zhǎng)11000m。泵房管線布置見(jiàn)圖2。

圖2 泵房管線布置示意

3.2 水錘波速的計(jì)算

根據(jù)管道設(shè)計(jì)參數(shù)及輸送介質(zhì)，利用水錘分析軟件計(jì)算水錘波速如下（管徑DN800、DN400壁厚分別為16mm、12mm）：

DN800水錘波速計(jì)算公式：

式中：ρ——水的密度（1000kg/m）；K——水的體積彈性模量，取2.1×10Pa；D——管道的公稱直徑（mm）；E——管道的材料彈性模量，鋼管取20.6×10Pa；E——管道壁厚（mm）。

DN 400水錘波速計(jì)算公式：

3.3 建立水錘分析模型

根據(jù)美國(guó)肯塔基大學(xué)的KYPIPE SURGE 2020水錘分析軟件建立水錘分析數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水力坡降線如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)水力坡度線

3.4 事故停泵水錘分析（清水池低水位313.50m，兩泵單管運(yùn)行）

水泵工作在最低水位313.53m時(shí)，在其穩(wěn)態(tài)水力分析及調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)之后的基礎(chǔ)上，對(duì)因突然斷電導(dǎo)致的停泵水錘進(jìn)行瞬態(tài)水力分析，此時(shí)無(wú)任何水錘防護(hù)設(shè)備。如圖4所示。

圖4 全線水擊包絡(luò)線（無(wú)水錘防護(hù)設(shè)備）

從最大、最小包絡(luò)線看出整個(gè)輸水管線升壓很高，管線局部負(fù)壓嚴(yán)重，局部水壓達(dá)2.8MPa，遠(yuǎn)超管道設(shè)計(jì)工作承壓等級(jí)，且亦超過(guò)管道試驗(yàn)壓力值。事故斷電時(shí)水泵處壓力如圖5所示。事故斷電時(shí)水泵倒流量如圖6所示。

圖5 事故斷電時(shí)水泵處壓力圖

圖6 事故斷電時(shí)水泵倒流量圖

從以上分析可以看出，水泵最大倒流量較大，當(dāng)水泵在事故斷電突然停下來(lái)之后，泵后管道的流量下降，只要不在水流速為零時(shí)關(guān)閉閥門，則均會(huì)產(chǎn)生額外的流速變化，進(jìn)而造成壓力波動(dòng)。從以上水泵倒流量圖表可以看出此工況零流量約發(fā)生在2s，以此作為我們?cè)O(shè)定緩閉止回閥關(guān)閉規(guī)律時(shí)的依據(jù)，本工程選擇的緩閉止回閥為重錘式液控蝶閥，其具有截止、止回功能，關(guān)閉時(shí)能實(shí)現(xiàn)緩閉功能，能有效消除水錘危害，保護(hù)水輪機(jī)、水泵及管網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

3.5 水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)零流量點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，我們選擇重錘式液控蝶閥關(guān)閉規(guī)律為：5s快閉70%，30s緩閉30%，如圖7所示。

圖7 設(shè)重錘式液控蝶閥后的全線水擊包絡(luò)線

水錘是針對(duì)全系統(tǒng)而言，并不特指水泵站。因此，緩閉止回閥常常不是解決水錘的唯一答案，輸水管線工程設(shè)計(jì)中還須進(jìn)行全系統(tǒng)的通盤考慮，綜合解決。有些情況下水錘的發(fā)生遠(yuǎn)在緩閉止回閥以外的管線上，“緩閉止回閥調(diào)整法”就顯得無(wú)所適從。當(dāng)非穩(wěn)定流出現(xiàn)時(shí)（比如：水泵停運(yùn)、關(guān)閥、管線破裂等）很有可能產(chǎn)生負(fù)壓，并以機(jī)械波的速率向管道其它部分傳遞。

對(duì)本系統(tǒng)事故斷電停泵水錘分析計(jì)算表明：主要問(wèn)題是事故停泵水力過(guò)渡過(guò)程中存在的負(fù)壓和汽化引起的水柱分離現(xiàn)象，其產(chǎn)生的主要原因是嚴(yán)重的負(fù)壓引起水體汽化，而后在壓力波動(dòng)的升壓過(guò)程中汽泡潰滅，水柱彌合，引發(fā)事故。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，為了避免事故停泵、泵出口閥門關(guān)閉后形成的管路前段水體放空和其他點(diǎn)出現(xiàn)的水柱分離現(xiàn)象，還需在輸水管線中設(shè)防水錘空氣閥。防水錘空氣閥集高速排氣、防止關(guān)閥水錘、節(jié)流排氣保證安全充水速度和防止斷流彌合水錘、持續(xù)可靠微量排氣以提高輸水效率、高速吸氣防止管路產(chǎn)生負(fù)壓等功能于一體，可有效避免管道中的水柱分離現(xiàn)象。本工程在管網(wǎng)中最高點(diǎn)和5個(gè)相對(duì)高點(diǎn)各設(shè)置一套防水錘空氣閥。

考慮到此泵站輸水系統(tǒng)正壓還很高，故我們對(duì)泵站及管線上的水擊升壓尚需慎重考慮，因此在泵站出水管增設(shè)電磁式水錘預(yù)防閥、水錘泄壓閥各一套，進(jìn)一步確保整個(gè)工程的供水安全。

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，最高水擊壓力不能超過(guò)工作壓力的1.3~1.5倍，又考慮到重錘式液控蝶閥存在誤動(dòng)作的可能，通過(guò)水錘分析軟件多次計(jì)算后，在泵站出水母管安裝1臺(tái)DN150電磁式水錘預(yù)防閥，和1臺(tái)DN200水錘泄壓閥，壓力等級(jí)為2.5MPa。增設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備后的泵站管網(wǎng)如圖8所示。

圖8 增設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備后的泵站管網(wǎng)示意

增設(shè)所有水錘防護(hù)設(shè)備后分析如圖9所示。

圖9 增設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備后的全線水擊包絡(luò)線

經(jīng)軟件模擬分析，整條管線升壓不大，負(fù)壓消除了，達(dá)到了水錘防護(hù)的目的。具體結(jié)果如表2所示。

表2 水錘防護(hù)設(shè)備增設(shè)前后對(duì)比

4 結(jié)論

本項(xiàng)目管徑大，管線長(zhǎng)，地勢(shì)起伏劇烈，泵站揚(yáng)程計(jì)算、管徑選取、水錘防護(hù)上均有其顯著的特點(diǎn)，需在經(jīng)濟(jì)技術(shù)和安全供水等方面綜合考慮。經(jīng)計(jì)算分析，本工程在增設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備后，能顯著避免發(fā)生停泵水錘及斷流彌合水錘事故。水錘的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行模擬、分析，選擇綜合有效的防護(hù)設(shè)施設(shè)備對(duì)安全供水有著重要意義。