長距離輸水系統水錘防護問題探討

杜坤

（新源縣水利局，新疆 新源 835800）

1 工程概況

伊犁州新源縣東部集中供水給水管道工程（一期）那拉提水廠應急備用水源項目位于新源縣東部那拉提鎮，原從烏拉斯臺溝和切特買爾克河取水對那拉提水廠水源進行供水，現由于烏拉斯臺溝冬季供水不足，導致那拉提水廠冬季供水不足，故決定從切特買爾克河取水對那拉提水廠進行補充供水。此次供水管道工程布置由新建引水渠首、輸水管道、水廠鞏固提升改造、烏拉斯臺渠首改建四部分組成。其中，新建渠首位于切特買爾克河出山口上游1.00 km處，為攔河式引水閘，渠首由泄洪沖砂閘、新建溢流堰及引水閘構成；輸水管道從新建渠首引水，設計流量0.58 m3/s，通過6.30 km 長、供水壓力0.80 MPa 的DN710鋼絲網骨架管接至那拉提水廠進水管處。

考慮到該供水管道管線多起伏，相當于數個U 型管連接，泵站中設置3臺DN300型壓力波動預止閥，且每臺水泵后方增設1 臺緩閉式液控止回閥。根據對該供水管道工程穩態水力的計算與分析，管線在穩態運行過程中，各處自由水壓均比承壓能力小，承壓能力滿足管道穩態運行要求。

2 無防護水錘模擬

2.1 系統建模

文中采用PIPE2012:Surge 水錘分析軟件進行那拉提水廠應急備用水源項目管道運行狀況模擬，該軟件輸入數據主要為節點、管段靜態參數及相關水力條件，通過瞬態精確計算并實時跟蹤管道水錘運動，并結合防護措施實施后的水錘模擬，進行水錘防護分析。

根據管道靜態參數及局部水頭損失，可以得出輸水管道穩態運行情況下的水力參數，管道水力坡降取2.65‰，管段內水流流速為1.75 m/s。根據對管道穩態運行水力包絡圖的分析，輸水工程所在區域地形起伏大，局部管段凈水頭高；正常運行過程中，管道壓力不高，但是開啟或關閉管道閥門時，便會因局部高點斷流彌合而引發水錘以及水壓升高和爆管。

2.2 靜態水錘

在靜態運行且輸水管道無任何防護措施時，進行輸水管道末端閥門持續開啟1 s、30 s、60 s、90 s 時水力情況模擬。根據靜態情況下水力包絡圖，當末端閥門持續開啟1 s時，輸水管道全線為負壓狀態，正壓水錘和斷流彌合水錘同時存在。而當末端閥門持續開啟30 s、60 s、90 s時，管道內負壓持續減小，正壓升值也持續降低。由此可見，末端閥門開啟時間超出90 s 時，才能確保相應管段運行安全。

2.3 穩態運行水錘

輸水管道在穩態運行情況下，對末端閥門全部關閉1 s、30 s、60 s、90 s、120 s的情況進行水錘模擬。根據水力包絡圖，在末端閥門持續全關1 s時，管道全線表現為負壓狀態，并伴隨嚴重的斷流彌合水錘，水擊壓力最大值出現在管線末端調流閥處。隨著末端閥門全關時間的延長，輸水管道中負壓持續減小，正壓水錘也在逐漸緩解；根據試驗結果，輸水管道末端閥門關閉時間應不短于120 s。

3 錘防護方案比選

基于該長距離輸水工程現有設備條件，水錘防護效果不佳，事故停泵后部分管線存在嚴重負壓，現有設備難以滿足水錘防護方面的要求，必須增設水錘防護設備。

3.1 方案1：增設雙向調壓塔

在原設計中管線A、B處分別增設雙向調壓塔，其中A雙向調壓塔設計塔高16 m，直徑3.60 m，管道高程148 mm；B 雙向調壓塔設計塔高9.50 m，直徑2.90 m，管道高程146 mm。雙向調壓塔設置情況詳見圖1。

圖1 水錘防護設備的設置圖

根據事故停泵管道壓力計算結果見圖2，當事故出現并引發停泵后全線水壓力P最大最小值分別為0.92 MPa和-0.04 MPa，負壓幾乎為零，滿足水錘安全防護要求。

圖2 增設雙向調壓塔后事故停泵管道壓力圖

3.2 方案2：增設單向調壓塔

與增設雙向調壓塔方案不同的是，該方案下用單向調壓塔代替A、B 兩處雙向調壓塔，兩處單向調壓塔設計塔高為10 m和8 m，直徑分別為3 m和2.50 m，水深依次為6 m和5 m；同時在A、B 兩處分別增設1 個DN200 型緩閉式空氣閥。根據事故停泵管道壓力計算結果見圖3，發生水錘事故而停泵后管線水壓力P 最大最小值分別為1.10 MPa 和-0.05 MPa，管線起始端存在較長負壓段，滿足水錘安全防護要求。

圖3 增設單向調壓塔后事故停泵管道壓力圖

3.3 方案3：增設真空吸氣閥

與前兩個方案相比，此方案主要用口徑均為DN300 型的真空吸氣閥代替A、B兩處的調壓塔設備，同時在真空吸氣閥處均增設1 個DN200 型緩閉式空氣閥。根據事故停泵管道壓力計算結果見圖4，當出現水錘事故而引發停泵時，管線水壓力P最大最小值分別為0.87 MPa 和-0.04 MPa，管線起始端存在較長的負壓段，滿足水錘安全防護要求。

圖4 增設真空吸氣閥后事故停泵管道壓力圖

3.4 方案比選

通過上述對水錘防護方案設計及事故停泵管道壓力計算可以看出，方案1水錘防護效果最好，但水質易遭受污染；方案2水錘防護效果較差，水質易遭受污染；方案3水錘防護效果最佳，且水質不易遭受污染；方案1造價最高，其次為方案2，方案3造價較低。從運行效果、水質保護及造價方面綜合考慮，該長距離輸水管道應采取方案3，即增設真空吸氣閥的水錘防護措施。

4 結語

綜上所述，為保證長距離高起伏輸水管道安全穩定運行，應將末端閥門開啟及閉合時間控制在90 s 和120 s 以上；在不采取水錘防護措施時，如果輸水管道閥門因異常而啟閉，則管道內必將出現嚴重的斷流彌合水錘，甚至引發爆管。就水錘防護設備的使用而言，將真空吸氣閥和空氣閥設置在管線坡峰處，能有效削減斷流彌合水錘發生的可能，取得較為理想的水錘防護效果，為長距離輸水管道的安全穩定運行提供保障。