宜宾市某输水干管水力及水锤计算与水锤防护设计

1 工程概况

本工程为宜宾市某供水工程，在原有DN1 200输水干管末端新建1座加压泵站，并配套建设高区输水干管，其中泵站设计规模为10万m/d，土建一次实施，设备分期安装，近期设备安装供水规模为1万m/d；输水干管按高区远期输水规模一次建成，输水规模4万m/d。输水干管为1根，分为2段，前半段为DN800涂塑复合钢管，长约5.40km；后半段为DN400涂塑复合钢管，长约5.80km。DN800管段设计输水规模按远期4万m/d考虑，时变化系数Kh=1.50，而后DN400管段设计输水规模按1万m/d考虑（其余分流至中间城镇用水点），时变化系数Kh=1.50，末端服务水头0.28MPa。输水干管布置见图1。

图1 输水干管布置示意

2 管道水力计算

2.1 管径计算

本输水干管按输水规模4万m/d一次建成，其高日高时流量：

对DN 400段计算同上，输水规模按4万m/d计，时变化系数Kh=1.50。

2.2 水泵扬程计算

表1 各管段水损计算结果

根据以上计算结果选择水泵扬程：

Hp=Zc+Hc+hy+hj

式中：Zc—管网控制点与清水池最低水位的高差，m，本处为420.00-313.50=106.5m；

Hc—控制点要求的最小服务水头，m，取28m水头；

hy—沿程水头损失，m，9.53+2.72+29.68=41.93m；

hj—局部水头损失，m；取hy的10%计算，约4.2m；

计算水泵扬程为：Hp=180.63m，取2m富余水头，并取整为183.00m；

校核最高点：以最高点反算水泵扬程则为：Hp1=473.00-313.50+9.83*1.1+2=172.31m，小于计算水泵扬程，满足设计要求。

2.3 工作压力计算

输水干管出泵站后约1500m处，即为最低点，其标高为301.00m，管网最大静压为313.50-301.00+183.00=195.50m，约合1.96MPa，考虑最不利段的管道及阀门附件承压等级为2.50MPa。同时本着以供水安全的原则，并力求经济合理，对本工程管材选择如下：

加压泵站至最高点段，采用管道及阀门附件承压等级为2.50MPa；

最高点至末端用水点段，采用管道及阀门附件承压等级为1.6MPa。

3 水锤防护设计

3.1 基本参数

本工程最大运行工况为水泵为2用1备，前段为1根DN800的主管，系统总流量为625m/h。单台水泵参数：H=183~165~150m，Q=210~312.5~360m/h，转速为1490转/分钟，水泵效率81.8~81.8~75%。水泵处标高311.87m、止回阀处标高311.87m，末端接管标高420.00m。吸水池最低水位313.50m。止回阀采用重锤式液控蝶阀，口径为DN400，流量系数Kv值为2262。输水管为1根DN800、DN400的钢管，壁厚为16mm、12mm，其摩擦系数-海森威廉系数取120，主输水管线总长11000m。泵房管线布置见图2。

图2 泵房管线布置示意

3.2 水锤波速的计算

根据管道设计参数及输送介质，利用水锤分析软件计算水锤波速如下（管径DN800、DN400壁厚分别为16mm、12mm）：

DN800水锤波速计算公式：

式中：ρ——水的密度（1000kg/m）；K——水的体积弹性模量，取2.1×10Pa；D——管道的公称直径（mm）；E——管道的材料弹性模量，钢管取20.6×10Pa；E——管道壁厚（mm）。

DN 400水锤波速计算公式：

3.3 建立水锤分析模型

根据美国肯塔基大学的KYPIPE SURGE 2020水锤分析软件建立水锤分析数学模型，稳态运行水力坡降线如图3所示。

图3 稳态水力坡度线

3.4 事故停泵水锤分析（清水池低水位313.50m，两泵单管运行）

水泵工作在最低水位313.53m时，在其稳态水力分析及调整设计参数之后的基础上，对因突然断电导致的停泵水锤进行瞬态水力分析，此时无任何水锤防护设备。如图4所示。

图4 全线水击包络线（无水锤防护设备）

从最大、最小包络线看出整个输水管线升压很高，管线局部负压严重，局部水压达2.8MPa，远超管道设计工作承压等级，且亦超过管道试验压力值。事故断电时水泵处压力如图5所示。事故断电时水泵倒流量如图6所示。

图5 事故断电时水泵处压力图

图6 事故断电时水泵倒流量图

从以上分析可以看出，水泵最大倒流量较大，当水泵在事故断电突然停下来之后，泵后管道的流量下降，只要不在水流速为零时关闭阀门，则均会产生额外的流速变化，进而造成压力波动。从以上水泵倒流量图表可以看出此工况零流量约发生在2s，以此作为我们设定缓闭止回阀关闭规律时的依据，本工程选择的缓闭止回阀为重锤式液控蝶阀，其具有截止、止回功能，关闭时能实现缓闭功能，能有效消除水锤危害，保护水轮机、水泵及管网系统的安全。

3.5 水锤防护设计

根据零流量点出现的时间，我们选择重锤式液控蝶阀关闭规律为：5s快闭70%，30s缓闭30%，如图7所示。

图7 设重锤式液控蝶阀后的全线水击包络线

水锤是针对全系统而言，并不特指水泵站。因此，缓闭止回阀常常不是解决水锤的唯一答案，输水管线工程设计中还须进行全系统的通盘考虑，综合解决。有些情况下水锤的发生远在缓闭止回阀以外的管线上，“缓闭止回阀调整法”就显得无所适从。当非稳定流出现时（比如：水泵停运、关阀、管线破裂等）很有可能产生负压，并以机械波的速率向管道其它部分传递。

对本系统事故断电停泵水锤分析计算表明：主要问题是事故停泵水力过渡过程中存在的负压和汽化引起的水柱分离现象，其产生的主要原因是严重的负压引起水体汽化，而后在压力波动的升压过程中汽泡溃灭，水柱弥合，引发事故。

对于本系统而言，为了避免事故停泵、泵出口阀门关闭后形成的管路前段水体放空和其他点出现的水柱分离现象，还需在输水管线中设防水锤空气阀。防水锤空气阀集高速排气、防止关阀水锤、节流排气保证安全充水速度和防止断流弥合水锤、持续可靠微量排气以提高输水效率、高速吸气防止管路产生负压等功能于一体，可有效避免管道中的水柱分离现象。本工程在管网中最高点和5个相对高点各设置一套防水锤空气阀。

考虑到此泵站输水系统正压还很高，故我们对泵站及管线上的水击升压尚需慎重考虑，因此在泵站出水管增设电磁式水锤预防阀、水锤泄压阀各一套，进一步确保整个工程的供水安全。

根据《泵站设计规范》要求，最高水击压力不能超过工作压力的1.3~1.5倍，又考虑到重锤式液控蝶阀存在误动作的可能，通过水锤分析软件多次计算后，在泵站出水母管安装1台DN150电磁式水锤预防阀，和1台DN200水锤泄压阀，压力等级为2.5MPa。增设水锤防护设备后的泵站管网如图8所示。

图8 增设水锤防护设备后的泵站管网示意

增设所有水锤防护设备后分析如图9所示。

图9 增设水锤防护设备后的全线水击包络线

经软件模拟分析，整条管线升压不大，负压消除了，达到了水锤防护的目的。具体结果如表2所示。

表2 水锤防护设备增设前后对比

4 结论

本项目管径大，管线长，地势起伏剧烈，泵站扬程计算、管径选取、水锤防护上均有其显著的特点，需在经济技术和安全供水等方面综合考虑。经计算分析，本工程在增设水锤防护设备后，能显著避免发生停泵水锤及断流弥合水锤事故。水锤的防护是一个系统、复杂的工程，通过专业软件对系统实际运行工况进行模拟、分析，选择综合有效的防护设施设备对安全供水有着重要意义。