多起伏小高差输水管路系统水锤防护方案优选分析

郑航桅， 孙国胜， 郑成志， 高金良

(1.广东粤港供水有限公司，广东深圳 518000；2.广东粤海水务投资有限公司，广东深圳518000；3.哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江哈尔滨150090)

水资源时空分布不均和短缺是制约我国部分地区经济社会发展的影响因素，长距离输水是优化水资源配置而采取的有效工程措施。在增压供水工程中，泵站的停泵工况引起的水锤问题最为严重。针对供水系统进行水锤分析及防护措施研究，对提高供水系统设计水平、保证供水系统安全运行具有重要意义。本文以东北地区某长输管线供水工程为例，针对多起伏、小高差的典型长距离输水工程进行全面模拟分析，选择安全经济的水锤防护措施，在管线中合理设置水锤防护设备，从而有效保证长距离供水工程运行的安全。

1 案例工程

某项提供城镇生活用水及工业用水的城市供水工程管线单管全长27 km,设计承压能力范围为1.02～1.8 MPa，为泵送流双线供水系统。泵站内设6台离心式水泵，4用2备，单泵流量为0.32 m3/s，设计扬程为137 mH2O。供水管材为球墨铸铁管，管径为DN900 mm。

综合该工程输水管线特征和定线限制，前段地形起伏比较大，中途频繁小起伏，供水管线距离长，相比较其他工程，管线地形起伏大，局部高点多，在事故停泵过渡过程中管线局部会产生液体汽化或水柱分离，从而引起一系列急剧的压力交替升降，给管线的正常运行造成危害。为解决这一问题，工程采用在管线中设置合适空气阀避免水力过渡过程中发生严重水锤，空气阀是一种用于防止瞬变过程减压波使管内产生负压的特殊阀门。本工程在管道沿线(单线)共设置了55处DN100 mm空气阀，其中复合式空气阀39处、三级缓排式空气阀16处。

该段管线地形多起伏、小高差，其稳态压力分布见图1。

图1 管线的压力分布Fig.1 Distribution of pipeline pressure

2 瞬变流水力模型的构建分析

2.1 稳态模型计算

输水工程的稳定运行状态是瞬变过程计算的起始状态，为了有效分析瞬变过程并制定合理的水锤防护措施，采用《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)[1]中供水工程的管道水力计算的海澄-威廉(Hazen-Williams)公式进行管道水力计算：

(1)

式中，hf为沿程损失，mH2O；Q为管道流量，m3/s；l为管段长度，m；Ch为海澄―威廉系数；d为管道直径，m。

2.2 瞬态模型求解方法

考虑摩阻损失及管道倾斜度影响的管道瞬变流动过程中的流速和压力变化规律的运动方程和连续方程，它们是拟线性双曲线型偏微分方程组，无法直接求出其解析解，目前通常采用特征线法求解这类双曲线型方程组[2]。

(2)

(3)

式中，H为测压管水头，mH2O；v为管中平均流速，m/s；x为沿管中心线与坐标起点的距离，m；g为当地重力加速度，m/s2；t为时间，s；α为水锤波传播速度，m/s。

3 水锤防护方案分析

针对本工程前段起伏较大、中途频繁小起伏的特点，供水管线距离长且定线已定，滤除多数单一防护方案，提出最为可行的两种水锤防护方案：在泵站出水母管均设置气压罐、两阶段缓闭止回阀的基础上，对空气阀进行优化调整，方案一采用小口径空气阀，方案二采用局部小口径空气阀与真空吸气阀的组合形式。

3.1 方案一

在泵站出水母管处设置2个20 m3气压罐，充存压力550 kPa，并在各水泵出口设置两阶段缓闭止回阀，第一阶段快速关闭90%用时5 s，第二阶段慢关10%用时10 s。水泵出水总管设置1个DN200超压泄压阀，沿线(单线)设置55处DN100空气阀，其中复合式空气阀39处、三级缓排式空气阀16处。

图2 事故停泵水锤压力包络线(方案一)Fig.2 Pressure envelope of water hammer of pumping accident (Scheme Ⅰ)

水锤防护结果由图2可知，全线口径都比正常口径小一号，全线最大压力为122.9 mH2O，全线最小压力(自由水头)为-7.4 mH2O，均在正压上限和负压下限范围内，分析可知满足水锤防护要求。

分析图3可知，发生停泵水锤之后，水泵未发生倒转。这说明水泵在停电之后由于自身的转动惯量继续正转，水流也继续向前流动，水泵的转动在整个停泵水锤发生期间并没有受到倒流水流的冲击，水泵转速缓慢降低直至停止，说明小口径空气阀起到了保护水泵的作用。

图3 事故停泵过程中水泵运行状态(方案一)Fig.3 Operation status of pump of pumping accident (Scheme Ⅰ)

分析图4可知，水泵出口阀门关闭后压力存在波动，阀后最大压力为132.4 mH2O，最小压力(自由水头)为51 mH2O，均满足水泵出口的压力值不得超过额定压力的1.3～1.5倍的规范要求，且随着时间的推移，水锤波基本消散，趋于平缓，满足水锤防护要求。

图4 事故停泵阀后压力(方案一)Fig.4 Downstream pressure of pumping accident (Scheme Ⅰ)

3.2 方案二

在泵站出水母管处设置1个20 m3气压罐，充存压力550 kPa，并在各水泵出口设置两阶段缓闭止回阀，第一阶段快速关闭90%用时5 s，第二阶段慢关10%用时10 s。水泵出水总管设置1个DN200超压泄压阀，沿线(单线)设置50处DN150空气阀(其中复合式空气阀34处、三级缓排式空气阀16处)、1处DN80三级缓排式空气阀，沿线(单线)设置4处DN150真空吸气阀。

全线空气阀采用正常口径空气阀、局部小口径空气阀和真空吸气阀的组合形式。从图5可以看出，全线最大压力为122.9 mH2O，全线最小压力(自由水头)为-3.6 mH2O，均在正压上限和负压下限范围内，同时泵后止回阀关闭时间很好地控制了水流逆向流动，使水泵不发生倒转[3]，满足水锤防护要求。

图5 事故停泵水锤压力包络线(方案二)Fig.5 Pressure envelope of water hammer of pumping accident (Scheme Ⅱ)

分析图6可知，发生停泵水锤之后，水泵未发生倒转。水泵在停电之后，水泵由于自身的转动惯量继续正转，水流也继续向前流动，水泵的转动在整个停泵水锤发生期间并没有受到倒流水流的冲击，水泵转速缓慢降低直至停止，这说明局部小口径空气阀与真空吸气阀的组合形式起到了保护水泵的作用。

图6 事故停泵过程中水泵运行状态(方案二)Fig.6 Operation status of pump of pumping accident (Scheme Ⅱ)

如图7所示，水泵出口阀门关闭后压力存在波动，阀后最大压力为132.4 mH2O，最小压力(自由水头)为51 mH2O，均满足水泵出口的压力值不得超过额定压力的 1.3～1.5 倍的规范要求，且随着时间的推移，水锤波基本消散，趋于平缓。局部小口径空气阀与真空吸气阀的组合形式，对于正压水锤和负压水锤的控制起着至关重要的作用。

图7 事故停泵阀后压力(方案二)Fig.7 Downstream pressure of pumping accident (Scheme Ⅱ)

3.3 方案对比

对采用小口径空气阀的方案一和采用局部小口径空气阀+真空吸气阀的方案二进行对比，如表1所示。

表1 方案一和方案二下主要防护设备的水锤防护参数对比Tab.1 Comparison of water hammer prevention parameters of main protective equipment of Scheme I and Scheme Ⅱ

4 水锤防护方案技术经济比选

分析表明，水锤防护效果的安全性和缓解正负压都很好，全线最大压力、最小压力(自由水头)均在正压上限和负压下限范围内，水泵转速和水泵阀后压力满足要求，两种方案均满足水锤防护要求。

从鲁棒性、经济性等角度进行对比得出：方案一鲁棒性更强，但投资较高；方案二通过调整空气阀口径及适当位置设置真空吸气阀，可有效防护水锤负压，并将水泵出水母管气压罐数量降低为1个，在提高安全性的同时极大地降低了工程造价。同时，方案二的计算结果优于方案一，即产生的负压相对更小，综合分析后推荐方案二。

5 结论

① 多起伏、小高差的长距离输水系统中供水线路在管线局部或高峰处出现压力交替升降，单一的防护措施不能有效消除负压对输水管线运行安全的影响。按照瞬变流水力模型模拟计算后得到在泵出口阀门选择合适的关闭程序的基础上，采用气压罐和空气阀组合形式[4]，水锤防护效果较为理想。

② 对于我国东北地区的输水工程，出于对设备防冻保温的考虑，不建议采用设置单向调压塔的方案。综合安全性、经济性和工程特点的考虑，在管线坡峰处设置真空吸气阀和局部小口径空气阀的组合形式，能取得较为理想的水锤防护效果[5]。