长距离压力输水管道停泵水锤分析和防护措施讨论

欧阳于蓝　张恒

【摘 要】湖北省某21万m3/d长距离输水工程，输水距离长且管道起伏较大，在取水泵房中加压输送，水泵扬程63m，一旦发生停泵水锤事故会导致管道和设备的骤然炸破。以本工程为例，采用美国BENTLEY公司的水锤计算软件HammerV8，建立管线水锤计算模型。分析结果表明，增加排气阀、设置注气微排阀和修改阀门闭合形式可以有效防护长距离输水工程中的水锤危害。

【关键词】长距离压力输水管道；Hammer；V8；停泵水锤；防护措施

引言：

长距离输水工程管线长，管道起伏大，输水安全性要求高，而水锤是影响长距离压力输水工程运行的一个重要因素，根据调查统计，在城市给水阀门和工业企业的给水泵站中，绝大部分水锤事故都属与停泵水锤事故。水锤事故危害性很大，会导致管道和设备的骤然炸破。其中停泵水锤较其他类型水锤（关阀水锤、水泵启动水锤和变速水锤等）危害更大，发生最普遍。因此本工程在对压力系统水锤分析时只对停泵水锤进行分析并提出防范措施。

1.工程概况

湖北省某长距离输水工程，设计流量：20万m3/d（考虑5%的沿程漏损和水厂自用水后为21万m3/d），从取水泵房至水厂主要采用焊接钢管，双管并联，单线长6.2km，管径為DN1200，壁厚10mm；取水泵房设计地面38.5m，泵进口约37.15米，原水引水管余压约2.5-5m。水厂设计地面标高97.5m，配水井水位标高101.3m，原水进水余压1.0m。

2.模型建立

2.1应用软件简介。本工程水锤分析软件采用奔特力-海思德软件公司的HAMMER软件，该软件将水锤效应（waterhammer）的复杂原理结合成为简单易用的工程工具，建模以节点和管段的稳态计算结果为基础，协助水利工程师顺利地进行任何复杂的水锤水击水力计算与设计。

2.2建模数据。水泵参数：4台水泵并联工作，3用1备。其中PMP-1及PMP-2水泵Q=2188m3/h、H=63m，电机功率560kW。PMP-3及PMP-4水泵Q=4375m3/h、H=63m，电机功率1000kW。PMP-4为备用泵。

根据取水泵房内远期水泵配置和原水压力管道平面方案布置图及简化的纵断面图，建立水锤计算模型。示意如下：

水锤计算模型示意图（泵站部分）

管道纵断面走向坡度较大，管线稳态运行时水力坡降线如下图所示：

管线近期正常运行时（稳态）水力坡降线

由上图可知，管线稳态运行时泵后压力最大为70m，管道沿线各节点压力在70m水头范围内，而设计中要求原水输水管的安全可靠性较高，设计泵站后管道采用D1220X10钢管，管线在远期21万m3/d设计流量时可以保证在流量恒定的前提下安全运行，危及管线系统安全的潜在因素是由于事故停泵而引起的停泵水锤，这也是本设计关注的重点。

3.停泵水锤分析及防护措施

3.1水锤计算考察对象。考察从设计起点（即取水泵房出水总管）到设计终点（水厂进水配水井）之间的管段在水锤模拟时间内产生的最高水锤压力值的和最低水锤压力值所形成的水锤包络线。根据水锤包络线判断是否有超过管道承压能力的现象，同时考察水泵是否有倒转，倒转转速及时间是否符合相关规定。

3.2水锤计算参数

3.3水锤计算结果分析：

⑴、未采取水锤防护措施时工况

单条管道沿线共设置2个DN100普通复合式排气阀；在每台SFWP80-400水泵的出水管上设置1个DN700普通止回阀，在SFWP80-600水泵的出水管上设置1个DN1000普通止回阀，停泵时迅速关闭。

将上述边界条件输入计算模型，得出如下图所示的水锤包络线：

未采取水锤防护设计水锤压力包络线图

由上图可知，一旦发生停泵水锤，管线最高自由水头压力值高达178mH2O（218m-40m），超过了管线设计的公称压力值1.2MPa（120mH2O），管线全程均出现大面积的负压区，其中很大一部分管段有高达-12mH2O（40m-52m）的负压，实际上水柱被拉断气化了，也就是产生了断流弥合水锤，显然不符合安全要求。

⑵、采取水锤防护措施后的工况

将管线沿线设置的4个DN100普通复合式排气阀增加至16个，并将其中2个改成注气微排阀（真空破坏与微量排气复合阀），吸气口径100mm，排气口径10mm。另外将泵房内每台水泵后的普通止回阀改为可多阶段关闭的液控蝶阀，分两阶段关闭，先快关，后慢关，共历时55s，其关闭规律描述如下：

由上图可知，当采取适当的水锤防护措施后，如果发生事故停泵，管线最高自由水头压力值约为0.9MPa，小于管线设计的公称压力值1.2MPa，而且全管负压区范围大大减小，负压值也减小很多，最大负压在-5mH2O的范围之内，基本没有形成断流弥合水锤，故方案可行。

另外，计算得出SFWP80-600水泵在计算历时最大转速为990rpm，最小转速为-416rpm，SFWP80-400水泵在计算历时最大转速为1480rpm，最小转速为-895rpm，虽然发生短时间水泵倒转，但倒转转速未超过额定转速的1.2倍，满足规范要求。

4水锤防护措施及建议

1、鉴于排气阀在保证长距离输水管道安全运行中起到的重要作用，建议工程在设计、施工过程中重视管道沿线排气阀的设置，保证管线每一个较明显的局部隆起点均设置有排气阀，另外保证在较长的平缓管段每隔500～1000m也设有排气阀，其中位于隆起点的排气阀应该采用具有高速和微量排气双功能的复合式排气阀；另外要保证排气阀的质量，要求管道上安装的排气阀在充水过程中，无论管内水流处于何种流态，都能够打开大小排气孔高速排气；而在管线正常运行过程中，复合式排气阀的大孔关闭，只有小孔在适当的时候自动打开微量排气（只排气不漏水）；所有排气阀在管线处于负压状态时（如泄水检修或由于水锤产生负压时）能够向管内注入空气消除管道内的负压。

2、本工程管道沿线共设置14个DN100复合式排气阀，2个注气微排阀，平均810米安装一个，吸排气口径不小于100mm；在每台水泵的出水管上设置1液控蝶阀，停泵时，该阀门分两阶段关闭。先快关，后慢关，总历时不少于60s。

3、重视充水启动过程，管道初次充水启动应控制充水流速不超过0.5m/s，密切关注沿线排气阀的工作状态，保证其排气通畅。

4、输水系统检修或其它工况需要停泵时，应按正常操作规程要求做到先关阀、后停泵，而不应直接断电停泵。

5、水泵出口液控蝶阀的关闭控制参数可在本计算的基础上进行进一步优化，并在实践中摸索出更佳的控制值。