供水工程水力过渡模拟及水锤防护研究

瞿宁玲

上海威派格智慧水务股份有限公司 上海 200000

1 工程概况

1.1 工程简介

A县供水工程位于西北区域，以盐环定扬黄水为供水水源，从大水坑南侧蓄水池取水，通过5.985km的输水管道输水至泵站前池，再通过连续三级加压泵站扬至A县分水岭高位蓄水管为区域自压供水。本文主要研究A县一级泵站前池至末端蓄水池的输水系统。输水总干管设计流量为194.03m3/s，输水系统沿程长度共计11506.37m。该工程主要线路采用压力供水方式，输水系统起点与终点高差达到367m，输水系统采用球墨铸铁管和pe管不均匀交替布置，沿线地势起伏，管路系统内水力条件复杂。一旦泵组突然发生断电事故，整个输水系统很容易产生较为严重的水锤危害，严重威胁当地饮水工程的供水安全，因此为了保证该供水系统安全可靠运行、避免水锤事故危害，保证当地用户放心用水，对本输水系统在运行过程中可能出现的水锤问题进行预测分析，并确定合理可靠的水锤防护措施，从而减少经济损失[1]。

1.2 水池基本资料

A县一泵站水池进水设计水位为1528.85m，出水设计水位为1708.45m；二泵站水池进水设计水位为1704.8m，出水设计水位为1839.35m；三泵站水池进水设计水位为1835.7m，出水设计水位为1951.81m。

1.3 泵站技术指标

A县一泵站将水输送至二泵站，设计流量为194.0m3/h。泵站内共设2台机组，一备一用，泵站出口通往A县二泵站，总扬程为135.49m。A县二泵站将水输送至三泵站，泵站内共设2台机组，一备一用，泵站出口通往A县三泵站，总扬程为143.75m。A县三泵站将水输送至末端蓄水池，泵站内共设2台机组，一备一用，泵站出口通往末端蓄水池，总扬程为125.27m。

表1 泵站技术指标数据表

2 水锤计算模型

A县三级串联增压输水系统由低位水池、泵站、输水管道和末端高位水池等基本元素组成，依据工程的基础数据构建输水模型。该长距离供水管道管线起伏大，沿线地形落差大，整个管道布置有两个明显的高点并且上下游水池之间的高差达到73m，该系统在稳态工况下，各节点的压力水头值比较高。因此该长距离高扬程的供水系统一旦发生停泵水锤，后果将会非常严重。

3 停泵水锤计算分析与防护设计

3.1 无防护措施时水锤计算分析

在软件中真实模拟一级泵站、二级泵站和三级泵站的水泵在正常运行5秒后同时发生断电事故的场景，瞬态分析估算了水锤状态下管道的压力将会如何演变。从图1可以看出，泵站下游-3000m位置和-5300m位置产生了负压，最大负压值达到了10m，即0.1MPa，超过了工程安全的一般性要求2m的负压限值。一级至二级和二级至三级的爬坡管道上压力发生了较大波动，泵升压较明显，并且有约20l的气囊产生，沿线压力有升高波动，但压力升高幅度不是太大。结合上下两条线上面的小红线凸起部分消失时刻下，从下面部分看相同管线位置上没有高压产生，因此不会发生弥合水锤。

图1 无防护措施下A县供水管道系统剖面和水头线图

图2 有防护措施下A县供水管道系统剖面和水头线图

无防护措施下模拟分析结果显示出，事故停泵时管道最大受压值为0.81MPa，发生在管道3068m处，超过于此处的管道承压能力0.48MPa的1.5倍，即本工程管道最大允许压力水头即0.72MPa。输水管线中有多处水锤升压段，主要指二级泵站前后部分管路、三级泵站前端瞬时压力较高，达到管道稳定状态下压力的 1.7 —1.9倍左右，超过规范要求的管道承受的压力范围（根据规范《室外给水设计标准GB50013-2018》，在长距离输水设计中通常安全系数为工作压力 1.3～1.5 倍）。这表明：事故停泵后在部分管道极大可能面临超压和负压危害，为保证安全，必须采取相应的防护措施[2]。

3.2 水锤防护组合优化设计

针对长距离、起伏大的输水系统，为了防止系统出现水锤事故，在设计过程中，应合理选取水锤防护产品。目前水锤防护措施主要分为两大类：一类是防止水锤压力过高，传统水锤造成的升压现象；一类是防止水锤降压过低及发生水柱分离。最终采用单一的水锤防护措施，还是联合多种水锤防护措施综合防护，这需要针对具体工况具体分析。本研究分两阶段比选确定出水锤防护设备的综合方案。

3.2.1 液控蝶阀+超压泄压阀联合防护（阶段一）

针对无防护措施下停泵水锤模拟计算显示的负压和超压现象，首先采用选择蝶阀作为调节阀时，蝶阀对减小关阀水锤的效果最好。本输水工程口径主要选用DN100的超压泄压阀，临界压力设定为水泵的工作水头的1.12～1.15倍，分别在三台水泵口各安装一个超压泄压阀，其中蝶阀关阀方案设计的不同，对系统的停泵水锤危害的防护效果也是不同的。本系统中蝶阀关闭采用60s、70s和80s两阶段关闭，一阶段快关，二阶段慢关，其中以水泵中水流开始倒流时的时间10s作为快关时间，剩下慢关。

设置超压泄压阀+液控蝶阀后：当采用60s、70s和80s两阶段关阀方案后，三种方案均略超出管道所能承受的最大压力，整条管线在部分管段处出现负压，在部分管段出现了汽化和水柱分离现象，其中具体工况参数见下表2。

A县输水液控蝶阀10s快关70%，60s全关和10s快关70%，70s全关工况下，二级和三级泵站间的管线的负压现象没有得到缓解，反而加剧了；10s快关70%，80s全关的工况和10s快关70%，70s全关工况下对无防护措施下泵端管道的水锤升压前端管段的降低效果差不多，但10s快关70%，80s全关的工况比10s快关70%，70s全关工况对无防护措施下管线负压现象负作用更小，更能保护管道的安全输水。

考虑到整体超压和负压问题的环节效果，本研究选择80s的两阶段关阀+超压泄压阀的防护方案，但在安装两阶段关阀+超压泄压阀防护后输水系统仍存在较大负压，二级和三级水泵前端仍存在超压现象，需采取其他水锤防护措施[3]。

3.2.2 液控蝶阀+超压泄压阀+空气罐联合防护（阶段二）

通过大量试算结合工程经验，本分析采用空气罐直径为300mm，为立式布置的封闭式的气囊式空气罐，其中局部水头损失系数为1，采用气体定律模型作为水箱计算模型，水头损失比率为2.5，连接管直径为DN300，空气罐底标高为1706.40m。在一级泵站和二级泵站后管道设置空气罐后，停泵水锤发生后，管道沿程最低压力由-10.3m 提升至-4.8m，但仍不满足-2m的负压限制要求，故需采用更多的工程措施来消除管线中的负压。

3.2.3 液控蝶阀+超压泄压阀+空气罐+空气阀联合防护（阶段三）

在液控蝶阀+超压泄压阀+空气罐的联合防护方案基础上增设管路沿线的模拟三级泵站同时停泵的工况，由于二三级是管中泵，没有前池进行缓冲，在瞬间停泵后，泵前产生了高压，对于二级泵站，在泵前设置超压泄压阀及空气罐。来缓解上游端的高压，在泵后设置空气罐及缓闭止回阀，来缓下游端的高压。对于三级泵站，这里压力并不太高，同样可以设置泄压阀、空气罐及缓闭止回阀来进行高压保护。二级泵站和三级泵站之间的管段产生了负压，因为二三级泵站间的管段是爬坡段，关阀后低压波造成了负压，可以选择在二、三级泵站间设置空气阀或者调压井来缓解负压，但考虑经济性及施工条件，一般建议采用空气阀缓解局部负压问题。空气阀一方面能够避免形成的空气囊减弱断面过流能力;另一方面能够避免极端工况时发生具有很强破坏性的断流弥合水锤现象。

考虑防护设施采用空气阀，空气阀进气孔径采用100mm，出气孔径采用5mm，依据规范分别在输水道桩号1+050、2+050、2+950、4+030、5+080、6+325、7+250、8+775处安装一个空气阀。

采用液控蝶阀+超压泄压阀+空气罐+空气阀进行停泵水锤防护后，最大压力包络线和稳态水头线几乎完全重合，管道中二级和三级泵端的瞬时最大压力也在工程规定的安全范围内，管道的负压已经完全消除，符合规范的要求，综上所示，该联合防护综合方案能够保证工程的稳定运行[4-5]。

4 结论与建议

a.具有长距离、高扬程特点的多级串联的输水工程，相应的停泵水锤防护若采用单一防护措施效果不佳，需要通过比较优选出最佳的水锤防护方案；

b.联合水锤防护基础方案中，三种两阶段液控蝶阀工况下，10s快关70%，80s全关的方案防护效果是最好的，但不能完全消除停泵水锤的危害；

c.对于本工程项目，在停泵水锤发生情况下，采用“液控蝶阀+超压泄压阀+空气罐+空气阀”联合水锤防护综合方案的消除效果最好。