盱眙縣城鄉供水一體化建設工程渾水管線水錘防護方案研究

孫正甫 趙靜

摘要盱眙縣城鄉供水一體化建設工程涉及規模30萬m3/d淮河的取水工程，渾水管線21.5km，沿途地形高低起伏，水錘控制非常重要，選擇合理的水錘防護方案是保障不同工況下系統穩定運行的前提。

關鍵詞城鄉供水 長距離輸水? 渾水管線水錘防護

0引言

長距離輸水工程可以實現城市水資源的合理配置，長距離輸水的水錘壓力控制非常重要，關系到整個輸水工程的正常運行和人民生命財產安全。對輸水工程準確計算、分析水力過渡過程，選擇安全、方便、可靠、經濟的水錘防護措施的研究尤其重要，為工程保駕護航。

1水錘計算數學模型及防護途徑

1.1水錘計算方法（特征線法）

水錘計算的重點包括對輸水管道系統內的管道內點、管道連接水池、閥門及相關過流的元件的計算分析。通過對水錘基本方程的求解我們可以對管道系統內點的水錘進行計算，基本方程是由連續方程和運動方程聯合組成雙曲型偏微分方程組。進一步對偏微分方程離散化，在特征線方向可以轉化為關于水錘的全微分方程，具體如下：

根據水錘分析的全微分方程轉換成水錘分析中編入計算機程序的相容性方程。

同時在計算前需要確定相關邊界條件，例如上游為正常運轉中的離心泵、進排氣閥、超壓泄壓閥、管路末端水池、調壓塔等邊界條件。

1.2 常規水錘防護途徑

美國水錘專家馬丁提出，輸水管路中會呈現出六種不同的氣液兩相流狀態，氣體以氣囊的形式存在在壓力管道中，水流動中由于管道坡度、管壁粗糙度不一及通過彎管、管徑變化等因素影響產生分散聚合現象，產生氣囊中壓差的改變，管道壓力隨之變化。通過以往的理論研究，防止水錘壓力升高的途徑有如下三種，具體如下。第一，排空管道里面的壓力，這樣就避免了氣囊運動型斷流的彌合水錘，可通過采用排氣閥進行排氣，對于突然停泵的工況采用單向調壓塔充水不注氣減少負壓的影響;第二，通過空氣罐及相同原理的裝置單向對升壓波進行吸納和消除，可通過空氣罐等穩壓吸壓裝置對水錘升壓進行消除或者吸納，造價較高;第三，采用雙向的調壓塔對升壓波進行吸納，應用頻繁。

2工程概況

盱眙縣城鄉供水一體化建設工程是改善當地供水現狀的民生工程，工程內容包括水源廠（含取水泵房、取水頭部及自流管）、渾水管線、凈水廠和配水管線工程等。取水水源為淮河，取水點為河道中部，水源廠規模30萬m3/d，配套新建兩根DN1400球墨鑄鐵管，一次性建成，單根長度約21.5km。

3現狀分析及方案對比

3.1 水源廠及渾水管線概況

本工程設置水源廠一座，淮河取水后低點的源水通過泵站輸送至水廠進行凈化，低點與最不利點地理高差大于30m。取水規模近期為20萬m3/d，取水泵采用大小泵搭配，采用臥式離心泵共4臺，其中大泵2臺，1用1備，單泵流量為（Q=4584m3/h，H=46m）;小泵2臺，2用，單泵流量為（Q=2292m3/h，H=46m）;取水泵站取水規模遠期為30萬m3/d，取水泵同樣采用大小泵搭配，臥式離心泵6臺， 3臺大泵單泵流量為（Q=4584m3/h，H=46m），2用1備，另外3臺小泵單泵流量為（Q=2292m3/h，H=46m），2用1備，渾水管線管徑DN1400mm，雙管供水，管道承壓值不低于1.0MPa。本次計算按照遠期最不利停泵工況進行計算。

3.2 方案選擇和比較

為了控制系統內的水錘升壓，采取了3個方案進行水錘控制，

3.2.1方案一：指定樁號處安裝排氣閥的非穩定流計算，主要是通過排出系統內的氣體去除水錘。

管道中排氣閥的計算樁號為：

下文對水泵出口處閥門在不同關閉時間、不同關閉角度工況下的管道系統內水錘變化進行具體計算分析。

3.2.2方案一總結

方案一中水泵出口閥門關閉時間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖2中（1）～（4）所示，可以得出如下結論。結論一：根據規范要求在指定樁號處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關時間為5s～8s，角度為60°～70°，總關閉時間為40s～100s，停泵會導致管道系統內的壓力迅速增加，水錘升壓超過管道承受范圍，存在安全隱患，需要對水錘進行合理控制;結論二：水泵出口處的閥門關閉快慢時間，對水錘升壓影響較小。

3.2.3方案二：按照規范要求設置排氣閥（同方案一），在0+020處設置雙向的調壓塔進行的非穩定流計算。

下面就管道的水泵出口處閥門不同快慢關閥時間及角度時的管道水錘升壓進行具體分析計算。

3.2.4方案二總結

方案二中水泵出口閥門關閉時間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖3中（1）～（4）所示，可以得出如下結論。結論一：根據規范要求在指定樁號處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關時間為5s～8s，角度為60°～70°，總關閉時間為40s～100s，管道系統前端的水錘升壓控制在合理范圍內，管道系統后端升壓較為明顯，出現斷流空腔現象，需要采取水錘防護措施控制水錘升壓;結論二：水泵出口處的閥門關閉快慢時間，對水錘升壓影響較小。

3.2.5方案三：按照規范要求設置排氣閥（同方案一），在0+020、14+380處安裝箱式雙向調壓塔的非穩定流計算

下面就管道的水泵出口處閥門不同快慢關閥時間及角度時的管道水錘升壓進行具體分析計算。

3.2.6方案三總結

方案三中水泵出口閥門關閉時間快慢、角度變化工況下壓力線的變化情況如圖4中（1）～（4）所示，可以得出如下結論。結論一：根據規范要求在指定樁號處安裝排氣閥門，水泵處的控制閥快關時間為5s～8s，角度為60°～70°，總關閉時間為40s～100s，管道系統的水錘升壓控制在合理范圍內，未出現斷流空腔現象;結論二：管道內的水錘壓力降低在合理范圍內，水泵出口閥門的關閉時間快慢、角度對管道系統內水錘影響較小。具體配置防護措施的設備工程量及參數詳見表2。

取水泵房管道方案三箱式雙向調壓塔參數：

由于管道末端有27米剩余水頭，且管道末端低于中部最高點K14+360（管中心高程44.7m）約12米，故根據相關規范要求，應設置保壓閥以保證最高點不出現負壓運行，保證管道不出現水柱中斷型斷流水錘。

保壓閥具有兩種類型：①調流調壓閥、②噴孔減壓控流閥，前者為電動型，價格昂貴，運行管理復雜，故障較多，且應有人值班管理;后者完全水力自動，價格合理，不易出現故障，可無人值守。故推薦后者，即噴孔減壓控流閥。

由于本工程剩余水頭較多，為節省投資，建議采用DN1200規格，具有足夠的過流能力，可完全滿足要求。

4結論

綜上所述，根據規范要求在指定樁號處安裝排氣閥門，樁號0+020、14+380處安裝箱式雙向調壓塔，水泵處的控制閥快關時間為5s～8s，角度為60°～70°，總關閉時間為40s～100s，管道系統的水錘升壓控制在合理范圍內，未出現斷流空腔現象。水泵出口閥門的關閉時間快慢、角度對管道系統內水錘影響較小，管道系統運行穩定。

參考文獻

[1]龐鍇鋒，唐迪，劉智慧，等.前段陡坡長距離供水工程水錘防護方案優選[J].黑龍江水利科技，2017， 45 （06） ：75-78.

[2]王琰，康雅，李政帥，等.基于Bentley Hammer V8i的長距離輸水管道停泵水錘模擬分析[J].給水排水， 2013， 39（4）：114-117.

[3]金錐，康乃昌，汪興華，等.停泵水錘及其防護[M]. 2版.北京：中國建筑工業出版社， 2004.

[4]李朦，王舜和，郭淑琴. Bentley在三維市政管線綜合中的應用與探討[J].中國給水排水， 2016， 32（16）：63-65.

[5]王保慶，李青坤，鄒建偉.淺析長距離輸水管道停泵水錘的簡易算法及防護[J].科研設計， 2017（9）：31-39.

[6]歐楠.長距離輸水工程重力流水錘閥防護的數值模擬[D].太原：太原理工大學， 2010.

[7]CECS193-2005， 城鎮供水長距離輸水管 （渠） 道工程技術規程[S].北京：中國計劃出版社， 2006.

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