非洲地区供水工程水锤防护技术探讨

赵佃龙

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 引言

长距离管道铺设、供电不稳定、供水系统维护不及时等因素，造成非洲地区供水设施和供水管道水锤现象频发。适合特定工程环境下的非洲地区供水设施水锤防护技术值得研究。

本文结合笔者多年非洲地区供水工程建设经验和体会，通过现象分析、机理研究、数值模拟以及防护技术应用效果分析，对适合非洲地区工程环境特点的水锤防护技术进行了分析和总结，可为非洲地区其他类似水务工程建设提供一定的借鉴和参考。

2 水锤现象及其危害

水锤现象普遍存在，对供水系统的危害较为严重，特别是在电力设施较为落后的非洲国家。由于停电事故频发，致使供水水泵机组停止运转，离心泵停车反转，引发停泵水锤现象，经常造成管道“跑水”、停水。严重的水锤事故常常造成输水管爆管、水泵和阀门破裂、泵房被淹，甚至造成人身伤亡等恶性事故[1]270。

在撒哈拉以南的非洲地区，许多城市由于水源性缺水需要长距离取水，因电力不稳定、管道供水设施老化加之维护不及时、不到位等原因，极易形成严重的高压事故水锤。

水锤现象除了对供水管道和供水设施造成破坏以外，还会引发高额的供水系统维护费用，或增加民众用水成本，或因财力不济而无力维修，导致恶性循环。

3 水锤现象机理及常用防护措施

3.1 水锤现象机理

水锤现象非常普遍，其产生的主要原因是在供水中由于启泵、停泵、快速启闭阀门或改变水泵转速，致使管道内水流速度发生急剧变化而引起失电停泵、输水管道爆管。常年处在高温状态下的供水管道，也会因维护能力的欠缺、阀门生锈老化、水泵间歇性停车等引起事故水锤，造成严重破坏。

当管道中水柱连续时，水流压力小于水泵工作水头为正常压力波动；当出现水柱中断进而再弥合时，水流压力急剧提升至大于工作水头，称作事故水锤。

断流空腔再弥合水锤具有较强的破坏性。在水流水力过渡中某处管道的压强比水温汽化压力低时，水流将发生汽化从而形成水蒸汽空腔，切断水流水柱破坏其流动的连续性；当切断的两股水流水柱再重新相遇弥合时，两股水流剧烈撞击形成高压冲击力。

特别是在长距离供水、气温高、地形起伏变化较大的供水项目，在一条供水管线上同时发生多处水柱水流分离现象较为普遍。如果其发生在水泵出口附近位置，断流弥合水锤的危害性更大，甚至造成水房被水淹没的惨状[2]。

3.2 水锤常用防护措施

根据不同类型的水锤现象，可通过运用不同的防护技术来缓解和消除水锤现象造成的危害和损失。

(1)用增大输水管道管径来降低供水管道中水流流速的方法，在一定程度可降低水锤压力，但不利因素是因管径增大而增加工程投资。

(2)供水管道的输水管线位置设计时，要通过避免出现驼峰或坡度剧变，合理规避铺设地形起伏变化较大的供水管线；尽量将管道沿线位置设计在最低压力线以上，可防止水流水柱中断。

(3)设置水锤消除装置，通过设置水锤消除罐、组合式空气阀、双向调压塔、缓闭止回阀、超压泄压阀、安装管道止回阀等水锤消除装置来抑制和缓解水锤现象[1]280。

(4)通过延长关(开)阀的时间Ts来防止关(开)阀水锤，对于长距离的供水管道系统，选择关阀时间是防止管道水锤现象的一种非常重要技术。

(5)当水泵必须在空管状态下启动时，采用分阶段开阀启泵方式也可以防止和降低启泵水锤造成的危害。

以上是几种水锤防护技术。在经济条件相同的情况下，可优先选择:增加供水管道直径和管道壁厚的方法；选用GD2较大的电动机，提高电动机功率；改变供水管路纵剖面的布置形式；对于大中型水泵站，安装具有可两阶段关闭的止回阀、快开电动蝶阀在水泵出口处，可降低水泵倒转几率，防止供水系统的失水和管道沿线压力升高现象[3]。

4 某项目水锤防护技术实例分析

4.1 项目背景及特点

笔者对坦桑尼亚姆万扎市某供水项目的建设及运营情况进行了跟踪研究，本项目的建成基本解决当地供水短缺问题。本文重点分析该项目的水锤防护措施及应用效果，主要工程内容包括:取水口、原水管道、原水泵房、净水厂、清水主管线、山上水池(或水塔)、配水管网等。项目基本情况:设计供水能力为3 000 m3/d、原水管道长度410 m、原水管道管径为DN250PN10、现净水管道长度5 080 m、现净水管道管径DN200PN25、配水管网长度33 km。工程建设特点:环境温度35℃左右，地形较为平坦，线路条件较好，电力供应不足，断电频繁，有必要进行水锤防护分析[4-6]。

4.2 未考虑防护措施时的工况模拟

实施前，我们对未加设水锤防护措施的工况进行了模拟分析，模拟结果显示，不采取防护措施时，管道所承受的压力变化较大，管道处在不安全的环境中。

图1显示在泵站内瞬间失电时，在止回阀处出现了明显的压力振荡现象，在整个压力波动过程中，泵停后最大压力值超过3 MPa。管道全线有负压情况出现，因此，水锤效应非常明显，管线处在不安全的环境中，需要考虑对应的水锤防护措施。

图1 未设置水锤防护措施的泵后压力变化图

图2中显示管道、水力坡降线及模拟停泵水锤工况中沿程管道每个点的最大及最小压力，即压力包络线。

图2 无保护状态下的主管道压力包络线

4.3 泵站及管道参数

项目采用的泵站参数见表1，管道参数见表2。

表1 泵站参数

表2 管道参数

4.4 水锤防护方案的选择

根据水锤模拟分析及计算，结合本项目环境特点，经过对常用水锤防护措施进行技术与经济比对，在确定水泵选型和管道参数的情况下，本项目采用了设置两种水锤防护装置来减缓水锤冲击的实施方案，具体为:在距离水泵出口大约5 m处安装一台内胆式水锤消除罐，管道沿线分别在0＋158、0＋548、1＋877、2＋547处安装4台组合式空气阀。

4.4.1 内胆式水锤消除罐

内胆位于罐体底部或侧面进出口处，内胆与罐内顶部相连，伸展后可占据整个罐体，从而实现更大压缩空间达到内胆受力均匀、受力小的目的，气体被压缩在内胆和罐壁之间，内胆不会被拉伸。当罐内所有液体的体积占罐体容积10%～20%甚至更大比例时，液体排入管道系统后可避免系统出现负压，水柱前进受阻后朝着水泵逆向返回，该装置将重新注水。罐内空气被压缩时水锤波得到了有效的缓冲和抑制，该过程会反复多次，直到整个供水系统处于安全状态。本项目采用了空气体积0.2 m3，压力0.77 MPa，容积为1.0 m3的内胆式水锤消除罐。内胆式水锤消除罐技术参数见表3。

表3 内胆式水锤消除罐技术参数

4.4.2 组合式空气阀

该空气阀安装在供水管道中可防止空气积聚于管道高点、边坡拐点及道路/河流交叉处，防止供水系统的压力波动和水锤事故。本项目采用了DN80PN25组合式空气阀，组合式空气阀进排口规格见表4。

表4 组合式空气阀排气口规格

4.5 采取防护措施后的工况模拟分析

图3表明，在泵站失电时，泵站内水锤防护措施发挥作用后，可显著减弱水锤效应，可将压力波动控制在一个安全的范围内，使得管道内的压力在短时间内由动态较平稳地转变成静态，最终整条管道内压力保持在0.4 MPa以下。

图3 设置水锤防护装置后泵后压力变化曲线图

项目采用水锤消除罐和组合式空气阀联用措施，通过模拟两种装置联用工况来确定其防护效果。图4中展示了受保护后的管道压力包络线，从图中可知，整条管线受到有效全面的保护。

图4 设置水锤防护装置后的管道压力包络线

5 实施效果及技术创新展望

5.1 采取水锤防护技术后的效果分析

由于该项目水泵采用变频启动技术，因此正常停泵时不会产生水锤现象。经过上述水锤防护系统的模拟分析，水厂采取了水锤消除罐和组合式空气阀两种装置联合应用的方式组成的水锤防护系统。经过多年运行，水锤消除罐和主管线上所有组合式空气阀全部运行良好，水锤防护效果显著。

从泵房及管道沿线现场观察来看，当人为隔离水锤消除罐，断电停泵后由于水柱回流同时单向阀关闭，能听到较为强烈的水流冲击声音，同时管道沿线组合式空气阀有明显的吸气现象(用于抵消管道内的负压)，供水管道的振动非常明显；当水锤消除罐和组合式空气阀全部正常运行时，断电停泵后则听不到水柱回流撞击单向阀的声音，同时供水管道的振动明显减弱。由此说明，该水锤防护系统起到了明显的水锤防护作用。

5.2 技术创新和展望

5.2.1 技术创新

结合本项目特点及非洲地区供水系统普遍存在水锤防护技术问题，笔者带领团队自主研发了一种水锤防护技术，设计了两个连续的水锤缓冲装置。该装置包括三通管缓冲结构及扰流弧形结构组成，其特点是将三通管缓冲结构设置在距离水泵10～20 m的大口径管道处，该结构内设置有压缩气体，当受到水锤冲击时，压缩气体可抑制水锤带给水泵的冲击；扰流弧形结构设置在水泵50～70 m管道处，因该结构设置了一系列波浪式的扰流弧形块，当带有负压的水流通过该结构时会释放大量水锤冲击力，从而有效缓冲水锤与供水管道之间的撞击力，防止管道出现爆裂，该装置对水泵与管道起到双重保护作用。该装置今后将会积极运用于其他非洲地区供水项目，并进一步验证其应用效果[7]。

5.2.2 技术展望

(1)简化水锤防护系统。采用集成设备简化防护系统，降低占地面积。当前采用的单(双)向调压塔、水锤消除罐等占地面积较大，将来开发一体化多功能防水锤阀或其他设备代替这种占地面积大的设备，以减少投资，降低工程成本。

(2)智能化水锤防护系统。空气阀、水锤消除罐、调压塔、波动预止阀等水锤防护设备的操作智能化、可视化，手机APP可实时监控设备状态，设置报警功能，压力过高或过低时报警。

(3)水锤在线监控系统。采用SCADA系统及其他先进可视化技术，实现在办公室大屏幕在线实时监控水锤防护效果和管线运行状态。

(4)泵房安装UPS。一旦发生断电事故，UPS还能持续提供电源，使得变频器继续工作，从而缓慢降低水泵速度，最后达到正常停泵的目的，从而最大可能降低水锤的发生。

6 结束语

(1)采用水锤消除罐和组合式空气阀两种装置联合应用的方式组成的水锤防护系统对水锤现象的防护效果显著，适合在电力供应不稳定的长距离供水管线项目中推广使用。

(2)水锤现象在非洲地区供水工程中较为常见，如处理不当易造成管道破裂、设施损毁等破坏。水锤现象的防护可从管路规划、系统设计、设备选型和防护装置等多个环节加以综合考虑。

(3)水锤防护技术及其装置的一体化、智能化、可视化需进一步深入研究，以降低装置安装和调试难度，减少后期维护运营成本。