盱眙县城乡供水一体化建设工程浑水管线水锤防护方案研究

孙正甫 赵静

摘要盱眙县城乡供水一体化建设工程涉及规模30万m3/d淮河的取水工程，浑水管线21.5km，沿途地形高低起伏，水锤控制非常重要，选择合理的水锤防护方案是保障不同工况下系统稳定运行的前提。

关键词城乡供水 长距离输水  浑水管线水锤防护

0引言

长距离输水工程可以实现城市水资源的合理配置，长距离输水的水锤压力控制非常重要，关系到整个输水工程的正常运行和人民生命财产安全。对输水工程准确计算、分析水力过渡过程，选择安全、方便、可靠、经济的水锤防护措施的研究尤其重要，为工程保驾护航。

1水锤计算数学模型及防护途径

1.1水锤计算方法（特征线法）

水锤计算的重点包括对输水管道系统内的管道内点、管道连接水池、阀门及相关过流的元件的计算分析。通过对水锤基本方程的求解我们可以对管道系统内点的水锤进行计算，基本方程是由连续方程和运动方程联合组成双曲型偏微分方程组。进一步对偏微分方程离散化，在特征线方向可以转化为关于水锤的全微分方程，具体如下：

根据水锤分析的全微分方程转换成水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。

同时在计算前需要确定相关边界条件，例如上游为正常运转中的离心泵、进排气阀、超压泄压阀、管路末端水池、调压塔等边界条件。

1.2 常规水锤防护途径

美国水锤专家马丁提出，输水管路中会呈现出六种不同的气液两相流状态，气体以气囊的形式存在在压力管道中，水流动中由于管道坡度、管壁粗糙度不一及通过弯管、管径变化等因素影响产生分散聚合现象，产生气囊中压差的改变，管道压力随之变化。通过以往的理论研究，防止水锤压力升高的途径有如下三种，具体如下。第一，排空管道里面的压力，这样就避免了气囊运动型断流的弥合水锤，可通过采用排气阀进行排气，对于突然停泵的工况采用单向调压塔充水不注气减少负压的影响;第二，通过空气罐及相同原理的装置单向对升压波进行吸纳和消除，可通过空气罐等稳压吸压装置对水锤升压进行消除或者吸纳，造价较高;第三，采用双向的调压塔对升压波进行吸纳，应用频繁。

2工程概况

盱眙县城乡供水一体化建设工程是改善当地供水现状的民生工程，工程内容包括水源厂（含取水泵房、取水头部及自流管）、浑水管线、净水厂和配水管线工程等。取水水源为淮河，取水点为河道中部，水源厂规模30万m3/d，配套新建两根DN1400球墨铸铁管，一次性建成，单根长度约21.5km。

3现状分析及方案对比

3.1 水源厂及浑水管线概况

本工程设置水源厂一座，淮河取水后低点的源水通过泵站输送至水厂进行净化，低点与最不利点地理高差大于30m。取水规模近期为20万m³/d，取水泵采用大小泵搭配，采用卧式离心泵共4台，其中大泵2台，1用1备，单泵流量为（Q=4584m³/h，H=46m）;小泵2台，2用，单泵流量为（Q=2292m³/h，H=46m）;取水泵站取水规模远期为30万m³/d，取水泵同样采用大小泵搭配，卧式离心泵6台， 3台大泵单泵流量为（Q=4584m³/h，H=46m），2用1备，另外3台小泵单泵流量为（Q=2292m³/h，H=46m），2用1备，浑水管线管径DN1400mm，双管供水，管道承压值不低于1.0MPa。本次计算按照远期最不利停泵工况进行计算。

3.2 方案选择和比较

为了控制系统内的水锤升压，采取了3个方案进行水锤控制，

3.2.1方案一：指定桩号处安装排气阀的非稳定流计算，主要是通过排出系统内的气体去除水锤。

管道中排气阀的计算桩号为：

下文对水泵出口处阀门在不同关闭时间、不同关闭角度工况下的管道系统内水锤变化进行具体计算分析。

3.2.2方案一总结

方案一中水泵出口阀门关闭时间快慢、角度变化工况下压力线的变化情况如图2中（1）～（4）所示，可以得出如下结论。结论一：根据规范要求在指定桩号处安装排气阀门，水泵处的控制阀快关时间为5s～8s，角度为60°～70°，总关闭时间为40s～100s，停泵会导致管道系统内的压力迅速增加，水锤升压超过管道承受范围，存在安全隐患，需要对水锤进行合理控制;结论二：水泵出口处的阀门关闭快慢时间，对水锤升压影响较小。

3.2.3方案二：按照规范要求设置排气阀（同方案一），在0+020处设置双向的调压塔进行的非稳定流计算。

下面就管道的水泵出口处阀门不同快慢关阀时间及角度时的管道水锤升壓进行具体分析计算。

3.2.4方案二总结

方案二中水泵出口阀门关闭时间快慢、角度变化工况下压力线的变化情况如图3中（1）～（4）所示，可以得出如下结论。结论一：根据规范要求在指定桩号处安装排气阀门，水泵处的控制阀快关时间为5s～8s，角度为60°～70°，总关闭时间为40s～100s，管道系统前端的水锤升压控制在合理范围内，管道系统后端升压较为明显，出现断流空腔现象，需要采取水锤防护措施控制水锤升压;结论二：水泵出口处的阀门关闭快慢时间，对水锤升压影响较小。

3.2.5方案三：按照规范要求设置排气阀（同方案一），在0+020、14+380处安装箱式双向调压塔的非稳定流计算

下面就管道的水泵出口处阀门不同快慢关阀时间及角度时的管道水锤升压进行具体分析计算。

3.2.6方案三总结

方案三中水泵出口阀门关闭时间快慢、角度变化工况下压力线的变化情况如图4中（1）～（4）所示，可以得出如下结论。结论一：根据规范要求在指定桩号处安装排气阀门，水泵处的控制阀快关时间为5s～8s，角度为60°～70°，总关闭时间为40s～100s，管道系统的水锤升压控制在合理范围内，未出现断流空腔现象;结论二：管道内的水锤压力降低在合理范围内，水泵出口阀门的关闭时间快慢、角度对管道系统内水锤影响较小。具体配置防护措施的设备工程量及参数详见表2。

取水泵房管道方案三箱式双向调压塔参数：

由于管道末端有27米剩余水头，且管道末端低于中部最高点K14+360（管中心高程44.7m）约12米，故根据相关规范要求，应设置保压阀以保证最高点不出现负压运行，保证管道不出现水柱中断型断流水锤。

保压阀具有两种类型：①调流调压阀、②喷孔减压控流阀，前者为电动型，价格昂贵，运行管理复杂，故障较多，且应有人值班管理;后者完全水力自动，价格合理，不易出现故障，可无人值守。故推荐后者，即喷孔减压控流阀。

由于本工程剩余水头较多，为节省投资，建议采用DN1200规格，具有足够的过流能力，可完全满足要求。

4结论

综上所述，根据规范要求在指定桩号处安装排气阀门，桩号0+020、14+380处安装箱式双向调压塔，水泵处的控制阀快关时间为5s～8s，角度为60°～70°，总关闭时间为40s～100s，管道系统的水锤升压控制在合理范围内，未出现断流空腔现象。水泵出口阀门的关闭时间快慢、角度对管道系统内水锤影响较小，管道系统运行稳定。

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