太平湾供水工程水锤数值模拟分析

栾俊亮，伏世红，宿 祺

（1大连市水利建筑设计院，辽宁 大连 116021；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

0 序 言

对于长距离输水管线工程而言，如果遇到断电导致水泵停车或阀门突然关闭等极端破坏情况，会引起管道内流速急速的变化，从而导致管道内水流压强剧烈的升高或降低，为避免事故水锤时超过管道的承压能力及管道内产生负压破坏，因此需要事先进行水锤数值模拟分析计算来进行分析并采取相应技术措施。

水锤防护的主要目的是防止水锤现象的发生并将水锤危害程度降到最低。前者要求运行管理者使输水系统保持正常工况；后者要求设计者事先制订水锤防护策略，运行管理者及时采取相应的水锤防护措施。

1 工程概况与基础数据

太平湾供水工程输水线路长度17.75 km，输水规模为10.80万m3/d，输水管线采用2根DN900钢管双线输水，管线首部与东风水库坝下加压泵站相连，末端进入新建净水厂。工程近期采用改造现有泵站方式输水，输水量为5.40万m3/d，水泵采用2用1备方式，单台水泵设计流量为1125 m3/h，扬程38.30 m；远期水源来自碧流河水库重力流4.30万m3/d和东风水库6.50 m3/d，采取两条管线独立供水方式输水，并需要自东风水库坝下新建加压泵站，3用1备，单泵设计流量902.78 m3/h，扬程44.20 m。

这次水锤试验针对源水输水管线设计情况进行数值模拟分析，做出综合结论，以确认是否有必要采取进一步的技术措施，保证供水安全性。文中所做的分析内容如下：

1）稳态分析。结合管线运行方式，分析、校核管线设计承压能力是否达到设计要求。

2）水锤计算分析。结合所选水锤防护设备，分析空气阀、两阶段阀、调压阀、抗水锤气压罐、超压泄压阀等设备对泵站及输水管线的水锤防护效果。

该工程近期改造泵站供水量为5.40万m3/d，远期新建泵站供水量10.80万m3/d。

2 水锤防护设备

水锤防护设备选择是水锤分析计算的主要目的之一。水锤防护有两层含义，第一层含义是防止水锤现象的发生；第二层含义是将水锤危害程度降到最低。根据当前水锤防护的技术水平和通用防护措施，从水锤防护设备的可靠性、管理方便、制造工艺水平、自动化程度等角度综合考虑后，工程水锤有效的防护设备主要采用空气阀、两阶段阀、超压泄压阀和抗水锤气压罐。

3 水锤分析

1）水锤分析依据。（CECS193-2005）《城镇供水长距离输水管（渠）工程技术规程》中，提到“水锤防护措施设计，应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍的最大工作压力。压力输水管线，事故停泵后水泵反转速度不应大于额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2 min。”故水锤分析最大压力不得超过1.5倍承压能力。

2）事故停泵全线无水锤防护设备水锤模拟。对管线进行事故停泵全线无水锤防护设备水锤模拟计算，通过分析计算可知：全线最大压力（自由水头）均未超出1.5倍承压能力，但各工况管线负压严重，会发生水柱分离，不满足水锤防护要求，管道会产生负压破坏，因此泵站内及管线需要增加水锤防护设备。

3）事故停泵全线有水锤防护设备水锤模拟。在设置空气阀基础上，通过设置各种水锤防护设备进行全线事故停泵水锤防护模拟。

当水泵出口处设置两阶段阀时，通过第一阶段快关和第二阶段慢关来进行水锤防护。根据多种关阀方案模拟，比选出最佳关阀时间：改造泵站（双线运行）工况第一阶段快关（关闭70%开度）30 s，第二阶段慢关40 s（关闭30%开度）。新建泵站（单线运行）工况第一阶段快关（关闭70%开度）25 s，第二阶段慢关25 s（关闭30%开度）。

通过计算分析可知：①改造泵站（双线运行）工况下通过两阶段阀，可以有效缓解管线负压问题。事故停泵时全线最大压力（自由水头）均小于1.5倍承压能力，水泵转速以及水泵阀后压力满足要求；全线负压满足要求，该方案满足水锤防护要求。②新建泵站（单线运行）工况下两阶段阀不能有效缓解管线负压问题，局部管线负压严重，出现水柱分离现象，不满足水锤防护计算要求，因此需在此基础上增加水锤防护设备，以保证管线安全运行。

为解决新建泵站（单线运行）工况管道负压问题，结合本工程特点及以往计算分析经验，需设置抗水锤气压罐等水锤防护设备，用以消除管线负压，保证供水安全。

4 水锤防护设备分析及建议

1）根据管线地形及水锤防护计算结果综合分析，建议适当调整空气阀位置及口径。即空气阀总数不变，对位置进行适当调整，口径采用DN80。其中20处复合式空气阀，7处三级缓排式空气阀。在管线坡峰处设置三级缓排式空气阀，在管线起伏不大处设置复合式空气阀。

三级缓排式空气阀，即将低压排气过程分为两个阶段：低压差时全速排气，较高压差时限制排气速度。消除水锤等特殊工况下因全速排气而产生的断流弥合水锤。与复合式空气阀相比，阀体多增设一个缓冲装置，可以控制管道冲水时或水柱弥合时的排气量，以减少水力冲击的影响，平稳的关闭气阀。一般设置在易发生水锤现象或水柱拉断的管道高点处。

复合式空气阀，即没有缓排功能的组合式空气阀。是低压进排气阀和高压微量排气阀的组合体，同时具备高压微量自动排气和低压进排气功能。一般设置在管线平坦段或管线起伏不大处。

全线空气阀主要口径为DN80，即有效进气口口径为75 mm，有效排气大口口径75 mm，有效排气小口口径（缓排口径）15 mm，排气大口口径与排气小口口径转换压力为0.2 m水柱。

2）在新建泵站水泵出水母管处设置1个气压罐，体积5.0 m3，充存压力20 kPa，承压能力1.2 MPa。

3)在各水泵出口设置两阶段阀，口径DN400。改造泵站关阀时间前30 s关闭70%，后40 s关闭30%；新建泵站关阀时间前2 s关闭70%，后25 s关闭30%。

4）《城镇供水长距离输水管（渠）工程技术规程》规定“超压泄压阀一般应设在泵站出水总管起端、重力流输水管末端的关闭阀上游。”因此，经计算分析，建议在水泵出水总管起端安装超压泄压阀，作为水锤后防护，以保证管线安全运行。泄压阀口径DN200，超压泄压阀动作值99 m。

5）由于管线近期、远期运行工况不同，因此需针对两根管道流量及减压情况选取不同减压阀。即近期安装2个DN400减压阀（一根管线一个），恒压式减压阀，即保证出口压力恒定为7.85 m；远期更换泵送流管道不需要减压，更换减压阀为闸阀；重力流管道减压阀正常运行。

5 结 论

通过对输水管线的最不利运行情况进行了水锤数值模拟分析，结果表明数值模拟可以较好的计算出水锤发生时管道最大压力及负压破坏情况。结合实验数据设置空气阀、超压泄压阀等水锤防护设备，可以达到消除管道负压的效果，从而保证供水管线的安全运行。