山地城市长距离输水管道水锤防护模拟

曾诗 瞿露

摘  要： 在山地城市有压流长距离供水系统中，由于地形起伏大，一旦管道压力急剧变化便会产生水锤现象，而水锤对于管道本身及附属设备有着巨大的破坏力。利用Bentley-Hamme软件模拟计算工程项目中长距离水锤的负面影响，并通过设置适当的水锤防护措施加以改进，有效抑制水锤破坏作用。

关键词： 长距离输水;水锤防护;水锤计算;Bentley Hammer

1项目背景

由于渝西水资源配置工程建设进度与璧山新区水厂建设的不匹配，嘉陵江干线工程不能及时向璧山片区供水，目前璧山片区已出现原水供应缺口。按照“渝西水资源配置工程”的设计理念，可借助东干线工程将原水输送至西彭水厂，再通过西彭水厂将原水转输至璧山片区。需要在西彭水厂内新建一座临时加压泵站提升原水，以保障璧山片区原水供应。现基于供水管道布置，总长约30km，供水设计流量1.35m3/s。

2水锤模拟意义

压力管道系统中，由于泵或水力控制装置在短时间内引起管道内流量的急速变化。在水流惯性作用下致使流体压力相应地急剧升高或降低，产生水流冲击波的现象称为水锤[1]。压力过高时造成管道或设备不同程度破坏;压力过低时发生造成管道气蚀或管道塌瘪，且当分离水柱再次汇合时，将产生压力更大的断流弥合水锤，对管壁造成更大的冲压力。国内外长距离输水工程中所出现的70%～80%管路破裂均与断流弥合水锤有关，因此弥合水锤要比传统水锤危害严重得多[2-3]。水锤危害性极高，严重威胁着供水系统安全及操作人员的生命安全。因此对可能产生的水锤进行科学的分析，及时制定相应水锤防护策略，具有十分重大的意义。

利用Bentley Hammer软件建立模型进行水锤计算是一种较为有效的模拟分析方法[4-7]，本次研究采用 Bentley Hammer 软件，对输水系统进行建模及停泵水锤分析，并根据模拟结果针对性采取相应水锤防护措施。

3计算模型

3.1泵站参数

泵站采用1臺1#泵，2台2#泵，二用一备的方式运行，最大运行工况为一台1台1#泵与1台2#泵并联。

3.2泵站计算标准

根据《泵站设计规范》GB50265-2010有关规定

（1）水泵的最高反转速≤1.2倍额定转速，超过额定转速的持续时间不超过120s;

（2）最高压力不超过水泵出口压力的1.3～1.5倍;

（3）管道任何部位不出现水柱断裂。

3.3管道模型

根据设计管道资料建模，管道中心标高与管道长度关系如下：

3.4停泵模拟

首先计算无任何防水锤措施时，水泵同时断电后管道的最大压力和水泵反转情况。模拟时长共300s，在正常运行3s后突然掉电。

经过模拟计算，由图可见管道出现了大面积的负压（图中阴影部分），节点1与节点2处空气/汽化容积是负压超过9.79m时管道中水体气化造成的，这将产生断流弥合水锤;且管道正压最大值为216.3m H2O，亦超过管道设计压力（1.60Mpa），会出现爆管事故，严重威胁供水安全。因此要采取一定的防水锤措施。

4水锤防护模拟

4.1水锤防护设施

长距离输水管道受管理维护影响，应尽可能采用较为操作简单、安拆方便、易于后期管理的措施，一般有以下几种：

1）缓闭式止回阀

缓闭式止回阀分两阶段进行关闭，第一阶段快速关闭，此时阀体关闭大部分过流通道，第二阶段是缓慢关闭，此阶段关闭剩余小部分过流通道，使管道不至快速完全关闭。

通过采用缓闭式止回阀可以在保证止回阀功能的前提下消减水锤产生的危害.对保护管道及管件都有较明显的作用。

2）单向调压塔

长距离输水管道沿线地形起伏变化比较大，当突然停泵时管线地形较高处易出现负压从而导致水柱分离。调压塔则常装设在管道系统中容易产生负压的部位。单向调压塔在塔体水室与管道的连接短管上安装止回阀，止回阀的启闭由出水管道的压力控制[8]。当主管的压力下降至低于调压塔的水位时，止回阀迅速打开，通过连接短管向主管道补水，防止泵站主管道中压力降低而产生水柱分离。

3）空气罐

空气罐下部装有流体，顶部装有加压气体;采用柔性可膨胀气囊控制气液比例来保持压力，从而可达到消减水锤的效果。空气罐往往布置在水泵出口，可结合泵房布置来解决其冬季防冻问题。

4.2水锤防护方案

本次设计通过新增空气罐与单向调压塔。管道前段主要依靠空气罐缓解负压，后段则主要依靠单向塔缓解负压，泄压阀可以减小空气罐的体积。经过大量试算后得到如下方案：

1）为方便管理空气罐，在加压泵出口总管上设置，总容积为 25m3，初始气水比3：7，连接管直径600mm。

2）在节点2处设置一座D=4m的单向调压塔，塔内初始水位390m，单向塔出水管高程380m，连接管直径800mm。

3）同时在加压站水泵出口总管上设置2个的超压泄压阀，直径300mm，开启压力整定为100m，关闭压力90m。

4.3水锤防护模拟结果

计算增加水锤防护措施后，水泵同时断电后管道的最大压力和水泵反转情况。模拟时长共300s，在正常运行3s后突然掉电。

经过模拟计算，由特征线可见管道负压段大幅减少，满足高于-2m的控制标准;管道正压最大值为140.1m H2O（低于1.5倍水泵出口最大稳态运行压力）;而水泵满足最高反转速≤1.2倍额定转速，持续时间不超过120s。

5.结论

对于山地城市长距离输水管道系统中地形起伏大，一旦出现水泵突然停电或故障，水流惯性极易产生断流弥合水锤，对供水管道及设备造成破坏，严重威胁城市供水安全。利用Bentley-Hammer 软件计算长距离水锤，参照泵站和输水管线施工设计图，建立符合实际情况的模型，分析水锤出现的节点;再设置适当的水锤防护措施，模拟结果表明防护该防护方案可以起到明显抑制水锤破坏的效果。通过对水锤防护及工程案例的分析，对水锤研究、长距离输水管线设计提供一定参考借鉴。

参考文献

[1] 柯水洲， 彭韧， 郑成华. 停泵水锤及其防护[J]. 给水排水技术动态， 1997（2）：4.

[2] 徐放，李志鹏，王东福，等. 水锤防护空气阀研究综述[J]. 流体机械，2018，46（6）：33-38.

[3] 饶雪峰，刘海涛，苏雷，等.长距离压力输水管道水锤防护设计[J]. 给水排水，2013，39（2）：123-126.

[4] 刘浩. 长距离输水工程设计案例及设计要点[J]. 净水技术， 2020，39（S1）：184-188.

[5] 梅青，王洋，杨力，等. 陡峭地形高压供水工程水锤计算分析及消除方案[J]. 给水排水， 2020，56（S1）：345-348.

[6] 张志胜; 段锦章; 周利全，等. 长距离输水工程弥合水锤防护措施研究案[J].人民长江，  2019，50（05）：127-132+139.

[7] 张荣上. 基于Bentley Hammer的停泵水锤分析[J].陕西水利， 2019，（05）：17-19.

[8] 刘光临， 刘志勇， 王听权，等. 单向调压塔水锤防护特性的研究[J]. 给水排水， 2002， 28（2）：4.

作者简介：曾诗（1995.4-），女，汉族，籍贯：重庆，助理工程师，硕士研究生，研究方向：城镇水处理。

瞿露（1987.9-），女，汉族，籍贯：重庆，工程师，硕士研究生，研究方向：城镇水处理。