加压排水系统水泵启停工况瞬态分析

李青青，黄仕元，王艳辉，黄 筱

(南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

排水管渠系统设计应以重力流为主，不设或少设提升泵站。当无法采用重力流或重力流不经济时，可采用压力流[1]。压力污水管道具有附属构筑物少、埋深浅、管径小、后期改扩建方便、冲刷作用强、管线不宜堵等优点[2]，因此加压排水系统在排水体制中占有的比重越来越大。在设计经验方面以实际工程为背景，对压力污水管网的设计管径管材、平纵断面布置、附属构筑物、泵站设计、水力计算等设计要点进行了探讨[3- 8]；在管道施工管理方面，对压力污水管道检修、施工验收后期运行管理等方面进行了总结[9- 10]。压力污水不同于重力流污水和压力给水系统，其输水过程是间歇性系统，水泵根据流量频繁启动，系统不稳定容易出现启停泵水锤[11]。水锤一直是研究的热点问题，在压力输水控制水锤的措施中包括合理选择管材、阀门闭合时间和方式优化、空气罐和空气阀优化设计，其中对空气阀的研究居多[12- 15]，启停泵水锤的防护措施将阀门开启在15%～30%为宜[16]。综上可知，对于压力污水管道的水力变化特性研究较少，本文以一维流体模拟仿真软件Flowmaster对加压排水管道中水泵启停工况的水力特性进行研究，为加压排水管道的安全运行提供设计的理论依据。

1 项目概况

1.1 项目简介

某工业园市政工程项目新建加压排水管道，主要收集企业污水，每个企业设置加压泵站将本企业污水排入污水干管。干管全长4 km，其中1 km长的管径是DN150，0.8 km是DN200，1.5 km是DN250，0.7 km是DN300。干管沿途共有8个纳污口，每个纳污口设计潜污泵，污水加压送入污水干管，经污水干管送入污水处理厂。其简化示意图如图1所示。

1.2 加压排水系统水力计算

通过查找资料得到已知各企业的每日排放的污水量和企业地面标高，对于未知规划地块区域，可根据GB 50282—98《城市给水工程规划规范》、GB 50013—2018《室外给水设计规范》，并参照其它类似园区的用水量标准，采用单位城市建设用地指标确定本规划区远期用水量标准；管段最大时流量为远期规划地块和目前运行企业一起汇流时最大时流量，长距离运输管段主要考虑沿程损失，局部水头损失可忽略不计，沿程水头损失计算公式如下：

(1)

式中，hf—沿程水头损失，m；Q—管段最大时设计流量，m3/s;D—计算管径，m；L—计算长度，m；n—粗糙率，压力管采用钢管取值0.0120。

企业水泵所需扬程计算公式如下：

H=h0+hf+h流出

(2)

式中，h0—管网末端和企业吸水池之间静扬程，m；

图1 加压管网系统流程

节点编号对应企业地块最大时流量/(m3/h)管径/mm长度/m管段最大时流量/(m3/h)管段沿程水头损失hf净扬程h0地面标高水压标高mH2O水泵扬程mH2O11#企业东方雨虹26.6415069526.641.406.4333.5760.9318.122#企业东方材料15.0215016541.660.816.7533.2559.6217.0233#规划地块一22.4820064364.141.626.5833.4258.7716.0444#规划地块二12.822003076.960.115.1634.8455.061355#企业IFF项目332501437109.963.234.2335.7754.7711.9666#企业上海崇耀44.4300166154.360.287.3832.6247.8211.8877#企业五星化工18.01300269172.370.568.1431.8646.7412.3688#企业顺发化工29.99300934201.362.668.6631.3444.4412.319管网末端40411

表2 企业选取水泵型号参数

hf—管道沿程水头损失，m；h安全—管网末端压力释放井流出水头，取1m。管径的确定通过选定流速，按下列公式计算：

(3)

式中，d—管内径，mm;Q—容积流量m3/h;v—流速m/s，取0.8 m/s。

整个压力管道系统水力计算结果见表1。根据表1，企业管段最大时流量以及自由水头取决于各企业选泵情况，水泵型号和参数见表2。

2 模拟仿真系统的建立

本文研究压力管道在正常运行时，其中一台泵在发生失电停泵、正常启动、稳态运行三种工况在100 s内水泵之间的相互影响情况以及最不利点的流速和压强的关系，仿真模型示意图如图2所示。

2.1 管道模型的建立和参数的设置

Flowmaster中有6种管道模型分别是Cylindrical(圆柱形)、Rectangular(矩形)、Hexagonal(六角形)、Prismatic(棱形)、Rotating hose(旋转管)、Internal duct(内部管道)，压力管道对压力要求高，综合水力最优情况，最终选择圆形钢管Cylindrical Rigid pipe模型。在管道模型中输入向相应的管长、直径、绝对粗糙度即可进行模拟，管道的沿程阻力计算有3种模型，见表3。

图2 仿真模型

阻力模型层流状态Re ≤ 2000过渡区域2000 < Re ≤ 4000湍流状态Re > 4000Colebrook-White模型f=fl=64Ref=xft+(1-x)ftf=ft=0.25lgk3.7D+5.74Re0.9()[]2Hazen-Williams模型f=fl=64Ref=xft+(1-x)ftf=ft=1014.2Re-0.148C1.852HWD0.0184Fixed 固定系数fff

表4 设计值与模拟值比较

(1)Colebrook-White 模型

需要给出管路内壁的表面粗糙度，在 Single Phase 稳态计算用户手册中给出了典型材料加工工艺管路内壁表面粗糙度的数值。

(2)Hazen-Williams 模型

在工业水供给及水分配处理行业常使用这种模型。

(3)Fixed Friction 固定摩擦系数

当雷诺数Re≥106时，损失系数f渐渐趋于定值，这种方法减小系统模型的计算量。当已知系统压力梯度时，可以通过给定损失系数的方法对模型进行校正，易导致计算发生收敛性问题。需要注意的是，当进行动态分析时，这种方法易导致系统浪涌预测错误。

本工程是工业排水领域的，根据阻力模型适用条件，选择Hazen-Williams 模型。

2.2 污水加压泵和吸水池模型建立和参数设置

Flowmaster数据库提供的水泵模型有Mixed flow pump，jet pump， Radial flow pump，Axial flow pump等，本文选用Radial flow pump径流泵模型，其需要设置的水泵相关参数有泵在额定转速下的流量、扬程、功率以及泵进出口直径。

Flowmaster中水箱模型有General Reservoir(普通水箱)、Constant Head Reservoir(固定高度水箱)、Variable Head Reservoir(变高度水箱)、Finite Area Reservoir(特定横截面水箱)、Storage Vessel(存贮器)、2-Armed Tank(两支路水箱)、3-Armed Tank(三支路水箱)、Thermal Expansion Reservoir(热膨胀水箱)，本文污水收集池用Constant Head Reservoir模型，水箱需要设置的水位高度为企业对应的地面标高以模拟企业和管道末端之间的净扬程。

3 结果分析

为了验证模型建立的合理性，对压力管道各加压水泵流量稳态运行结果和理论设计值进行比较，见表4。可以看出设计值与模拟值的总流量的误差值约为2.3%，误差较小；各企业污水加压水泵的设计流量和模拟流量的最大误差在9.8%，考虑实际管网中存在局部损失，误差在合理范围内，说明建模的边界条件合适，能够反应污水压力管道的实际运行情况，可进行压力管道瞬态模拟分析。

系统模型建立以后，假设排水为不可压缩流

图3 两台泵停泵时流量及扬程

图4 两台泵开泵时流量及扬程

体，在Flowmaster中选择Simulation type为瞬态模型Incompressible transient，Simulation date中时间步长设置为1s，仿真时间为100s，然后在不同工况下进行仿真运行。在实际压力污水管网运行时水泵启停可能是一台也可能是两台甚至多台同时启动，考虑最大概率启停的工况是一台或者两台水泵，最不利情况为流量较大的水泵启停时的工况。所有水泵正常运行，3#和6#水泵在15s内正常启动同时启动。通过Flowmaster分析在不同的工况下水泵开停对其它水泵以及管网末端流量、流速压力的影响。其结果如图3—5所示。

从图中可以看出，开泵时系统的流量和扬程波动比停泵时的流量波动幅度要大。在两台水泵同时停泵时系统流量波动在30s趋于稳定。当3#和6#水泵同时启动时，各水泵流量波动更加在整个模拟时间100s都是上下起伏状态。

在压力排水系统中，开泵和停泵是整个系统的流量和压力产生波动，严重影响系统稳定运行，为了使系统更加稳定，在各企业接入排水压力管道处设计DN200的空气阀，建立仿真模型，分析两台水泵同时启动时在设计空气阀后各水泵的流量波动情况，从图5可以看出在设计空气阀后，两台水泵同时启动时，其它水泵流量在20s就恢复到正常流量。两台水泵停泵及起泵时管道流速如图6所示。

从图6可以看出，起始端管道流速约0.5m/s，8#管道流速在0.9m/s左右，符合压力管道的流速设计要求，对压力污水管道的流速在0.5～2.0m/s之间，用此流速保证管道不淤积和防止冲刷，压力管道最小管径为100mm，是为了防止水锤的产生。

4 结语

加压排水系统中停泵和起泵工况的过度过程直接影响到整个系统的安全稳定运行，本文基于Flowmaster软件对加压排水系统中不同工况进行模拟仿真研究，结论如下：

(1)系统启泵比停泵时水力波动更加剧烈，两台启停比单台波动剧烈，在各企业设置空气阀可以较小系统流量波动。

图5 设计空气阀后两台泵开泵时流量及扬程

图6 两台水泵停泵及起泵时管道流速

(2)在进行水泵选型后通过对Flowmaster的模拟结果压强流速和流量分析进一步验证水泵选型的合理性。

(3)本文只研究了较不利情况即流量较大的一台和两台水泵的开停工况，实际工程中可能多台水泵同时开停，有待进一步研究。