高压输水管道系统的水锤防护分析

2021-07-06陈名泉

四川建筑 2021年3期

詹芹，陈博，何洋，陈名泉

(1. 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司成都分公司, 四川成都 610000;2. 成都市市政工程设计研究院，四川成都 610036)

1 工程概况

龙泉山城市森林公园位于四川省成都市龙泉山脉成都段，南北向绵延90 km，东西向跨度10～12 km，规划面积1 275 km2。由于成都城市布局从原来的“两山夹一城”转变为“一山连两翼”，龙泉山的总体定位也由原来的生态屏障升级为“世界级品质的城市绿心，国际化的城市会客厅”。

本工程为成都龙泉山城市森林公园配套输水工程，该工程位于简阳丹景乡片区，为解决龙泉山该片区生活用水的需求，需要设置提升泵站进行供水。高位水池海拔高度约746.0 m，泵站场平高程约488.0 m，净高差为258 m。本输水工程的设计工艺流程如图1所示。

①市政管网 — ②加压泵站 — ③高位水池 — ④用户

图1 工艺流程

2 水锤防护分析

2.1 水锤的危害

由于输水系统运行压力高，水锤所引起的管道压力变化较大，从数米到数十米的水压不等，如不进行水锤防护，超高的水压会对管道及配套设备产生极大的破坏力。水锤所导致的结果为水管破裂，安装在管道的止回阀的上顶盖或者壳体被高水压损坏而大量漏水，造成供水中断，不仅影响生活用水，甚至会导致较大的经济损失。本项目所在的龙泉山片区为丘陵地区，管道沿线地形起伏点较多，当发生水锤而使输水系统中水压猛降时，管道的最低压力线几乎全部低于管中心线，导致管道内水柱分离，从而极易产生破坏性很大的断流空腔再弥合水锤，就会导致管道爆裂等水锤事故的发生。因此，为了解决本项目水锤防护中水泵反转和系统超压(负压)的问题，本项目利用美国肯塔基大学的KYPIPE SURGE 2010软件对输水管道系统进行建模分析，研究了不同工况下事故停泵水锤发生的特点，最终找到防治水锤经济、安全的方法。

2.2 设计参数

本项目单台水泵设计流量为Q=32 m3/h，设计扬程H=300 m，转速为2 950 r/min，水泵为二用一备，水泵泵轴处标高为488.3 m、止回阀处标高488.3 m，末端接管标高746 m，水位标高746 m。吸水水箱水位491.6 m。止回阀采用增压泵控制阀，口径为DN100，流量系数Kv值取358，止回阀处静高差257.7 m。输水管道为单根DN150的无缝钢管，海森威廉系数取130，主输水管线总长约2524 m。

根据管道设计参数及输送介质，利用水锤分析软件计算水锤波速如下(管径DN150壁厚选6 mm)。

水锤波速计算公式：

因为此工况水锤波是从管线末端开始反射，故：

水锤波速a=1316 m/s

故水锤相：u=2L/a=2×2524 /1316 =3.8 s。

2.3 系统流态分析

2.3.1 稳态流态分析

本次水锤防护分析利用SURGE 2010水锤分析软件建立本项目高压输水管道系统的数学模型：

通过构建模型进行模拟，水泵实际运行扬程约为301 m，与水泵设计扬程偏差较小，水泵选型合适(图2)。

图2 稳态水力运行坡线

2.3.2 事故停泵水锤分析

2.3.2.1 无水锤防护措施

水泵工作在水位491.6 m时，在其稳态水力分析的基础上，对因突然断电导致的停泵水锤进行瞬态水力分析。根据以往经验，水泵在1 s内断电停泵，同时水泵出口处的止回阀不能正常关闭，这种水锤的破坏最严重。该工况是一种特殊工况，是其他工况计算及水锤防护措施分析的基础，其特征量是水泵最大反转转速、最大倒泄流量及其相应的时间、管道中最大最小水锤压力、以及在管道中是否产生过低的负压引起水柱分离。无水锤防护措施的事故断电停泵工况下，全线的水击包络线如图3所示。

图3 水击包络线

从图3最大、最小包络线看出整个输水管线升压不高，但管线后端负压严重。水泵处的最大压力为323.6 m。

由图4～图6模拟结果看，水泵最大倒流量较大，水泵最大反转近3 300 r/min。从水泵倒流量变化图可知，当系统在水泵因事故断电突然停下来之后，泵后管线的流量下降，在断电后2 s，其水泵流量为0，此时管道中水流可默认处于静止状态。若此时关闭水泵出口处的止回阀，其关闭并不会带来“额外”的系统流量变化，因此并不会带来额外的压力升高，即水锤。若在其它时间关闭止回阀，只要不在水流速为零时关闭，则均会产生额外的流速变化，进而造成压力波动，形成水锤。因此，本系统零流量的工况发生在2 s，此时间可对后续分析止回阀关闭的规律作参考。

图4 水泵出口压力变化

图5 水泵倒流量变化

图6 水泵反转

2.3.2.2 水泵出水口设置止回阀

根据零流量点出现的时间，选择止回阀关闭时间为2 s，通过加入止回阀关闭条件重新建模进行分析，得出如下结果(图7～图9)。

图7 水击包络线

图8 水泵反转曲线

图9 水泵倒流量变化曲线

从图7最大、最小包络线看出整个输水管线升压很高，且管线后端负压严重。水泵处的最大压力为457.5 m。通过增加止回阀，水泵不反转，倒流量较小。而且通过水锤分析软件的多次分析计算，止回阀关阀参数取值为2 s快闭95 %，15 s缓闭5 %为最优的关阀规律。

水锤是针对整个输水系统而言，并不特限制于泵站。因此，止回阀常常不是解决水锤的唯一答案，设计人员必须进行全系统的通盘考虑，综合解决。有些情况下水锤的发生远在止回阀以外的管线上，仅在泵站增设止回阀就显得无所适从。当非稳定流出现时(比如：水泵停运、关阀、管线破裂等)很有可能产生负压，并以机械波的速率向管道其它部分传递。对本系统根据事故断电停泵水锤分析计算，发现主要问题是事故停泵时，水力过渡过程中存在的负压和汽化引起的水柱分离现象，其产生的主要原凶是严重的负压引起水体汽化，而后在压力波动的升压过程中汽泡溃灭，水柱弥合，引发事故。水柱弥合即水蒸汽在瞬间还原成体积很小的液态水。由于同样质量水蒸汽的体积远大于液态水的体积，一个巨大体积的水蒸汽团在瞬间变成体积很小的液态水，将产生巨大的冲击波，破坏设备。

这种现象的发生和发展将会导致两方面的问题：①管道中长时间的负压会引起管道和与之相连的水泵机组、阀门的气蚀破坏；②如果管道前段水体放空，管路中出现水柱分离现象，管路中大量存气，一方面造成水泵机组再次正常启动的困难，二方面，如果在事故停泵过程中再次启动水泵，由于管线中存在多处分离点，被水泵提起的水柱撞击下游水柱，有可能产生大的压力升高从而发生撞击水锤事故。因此，对本输水系统来说很重要的一环就是从避免发生严重负压着手，应尽量消除管路中出现的水柱分离现象。

2.3.2.3 系统增设防水锤空气阀

防水锤型空气阀用于水泵出口及给水、排水管线中，在管路或容器压力降低到大气压力以下很小负压(-6.9 kPa)时就开启，吸入大量的空气，破坏真空；在恢复正压时自动关闭高速孔口，不高速排气，但将通过微量孔口(气囊缓冲)缓慢排除高速吸进的空气，起到保护输水管路免遭“水柱拉断型断流弥合水锤”破坏的作用，用于消除断流弥合水锤。

结合本项目的实际情况，本次拟在系统中加入4台防水锤空气阀后通过软件进行模拟计算(图10～图12)。

图10 设止回阀加空气阀的水击包络线

图11 设止回阀加空气阀的水泵反转曲线

图12 设止回阀加空气阀的水泵倒流量变化曲线

从上述模拟分析结果可知，整个输水系统升压仍然很高，但通过增加空气阀，管线的负压问题消除了。止回阀处的最大压力为414.8 m，水泵不反转，倒流量轻微。

2.3.2.4 系统增设水击预防阀

从上述分析可知，输水系统运行中的正压还较高，泵站及管线上的水击升压需慎重考虑。因此，结合以往的设计经验，需通过增设水击预防阀对系统的超压进行控制，以确保整个系统的供水安全。水击预防阀可在各种设定工况下维持开启，以保证系统压力稳定。

根据GB 50265-2010《泵站设计规范》要求，最高水击压力不能超过工作压力的1.3～1.5倍，又考虑到止回阀存在误动作的可能，通过水锤分析软件多次计算后，在泵站出水总管安装水击预防阀一套，同时设定压力为：

泵站水击预防阀高压设定值：Pset1=315 m；

泵站水击预防阀低压设定值：Pset2=150 m；

泵站水击预防阀高压设定值：Pset3=320 m；

增设水击预防阀后运用软件进一步模拟(图13～图15)。

图13 设止回阀加空气阀加水击预防阀的水击包络线

图14 设止回阀加空气阀加水击预防阀的水泵反转曲线

图15 设止回阀加空气阀加水击预防阀的水泵倒流量变化曲线

从上述模拟分析结果可知，通过增设水击预防阀后，止回阀2 s快闭95 %，15 s缓闭5 %，泵站附近水击正压得到很好的控制，整个管线加压系统最高水击压力发生在止回阀处，泵站止回阀后最高水击压力为318.2 m，管道全线负压水锤消除，水泵不反转，止回阀处水击升压很小(仅仅升压16 m)。满足GB 50265-2010《泵站设计规范》最高水击压力不能超过工作压力的1.3～1.5倍的要求，同时水泵不反转，满足上述规范要求水泵反转速度不能超过额定转速1.2倍，超过额定转速的反转时间不应超过2 min的要求，达到了水锤防护的目的，保证了系统的安全运行。