農(nóng)村供水工程突然斷電產(chǎn)生水錘計算分析

劉寶祥

(北票市長皋水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122109)

0 引 言

水錘是指正常運行的有壓供水工程，遇閥門過快關(guān)閉或突然停電時，由于慣性作用有壓水流產(chǎn)生往復(fù)周期性沖擊，并伴隨著壓力升降產(chǎn)生像錘子敲打一樣的現(xiàn)象[1]。閥門或者管道承受水錘作用產(chǎn)生的正壓，壓力過大則供水系統(tǒng)發(fā)生破壞；水錘產(chǎn)生的負壓可形成抽吸現(xiàn)象，由于壓力降低水流被汽化，形成的空氣腔對供水產(chǎn)生阻礙，若管道連接不嚴管外污水雜質(zhì)，將被抽吸進入管道造成水質(zhì)污染[2]。當被空氣腔阻斷的水流再度彌合時，兩水柱劇烈碰撞，并產(chǎn)生壓力很高且具有直接水錘特征的斷流彌合水錘，管道安全受到極大威脅[3-5]。

受建筑物或復(fù)雜地形條件等因素的限制，供水工程管線往往具有較大的變化起伏，其中最常見、最突出的問題就是如何防護好輸水管線安全。過快關(guān)閉管道末端閥門極易產(chǎn)生水力瞬變的情況，系統(tǒng)內(nèi)壓力的劇烈升高或降低易造成管道接頭斷開、閥門破壞、甚至管道爆裂或壓癟等問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者深入研究了供水管道輸水和水錘防護技術(shù)，如Elliot等以韋納奇地區(qū)為例，通過模擬瞬態(tài)試驗和現(xiàn)場試驗提出了防止城市供水系統(tǒng)產(chǎn)生水錘的空氣閥；Streeter等提出了分段關(guān)閥法，以更好地控制水錘對整個供水系統(tǒng)的影響，這種關(guān)閥規(guī)律被廣泛應(yīng)用于諸多實踐工程；高將等研究了超壓泄壓閥和調(diào)壓塔的工作原理、結(jié)構(gòu)特征，并提出水錘防護的技術(shù)要點和邊界條件，通過對比分析提出超壓泄壓閥，以更好地控制管道壓力，此外調(diào)壓塔能夠有效降低或消除供水管路的正壓和負壓[6-8]。

近年來，北票市致力于農(nóng)村供水升級改造、新建擴建、續(xù)建配套等工程建設(shè)，并制定了系統(tǒng)完善的運行管理體系，逐步實現(xiàn)了城市與農(nóng)村全天不間斷的“同質(zhì)、同源、同網(wǎng)”供水。然而，工程運行過程中經(jīng)常發(fā)生停泵水錘，若不采取有效的措施極易造成閥門損壞、管道爆裂等，供水工程正常運行和供水安全受到嚴重威脅。據(jù)此，文章以北票市農(nóng)村供水工程為例，深入探討了防水錘技術(shù)，旨在切實提高農(nóng)村供水保證率。

1 研究方法

1.1 水錘計算理論

實際上，水錘就是非恒定的瞬時流動，可利用特征線法和非恒定流理論計算。根據(jù)相關(guān)資料，考慮利用Hammer水錘計算軟件處理，該軟件具有市場占有率高、人機交互好、適用范圍廣、計算精度高等優(yōu)勢[9-10]。

1.2 計算方法

以北票市某農(nóng)村供水工程為例，通過對水錘變化規(guī)律的充分研究，選擇安裝空氣閥、管道止回閥、液控止回閥和集成應(yīng)用供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測技術(shù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)利用Hammer軟件進行計算，從而構(gòu)建防水錘技術(shù)體系。

2 實例分析

2.1 工程參數(shù)

1)以地下水為供水水源，山地、高坡地段布設(shè)輸水管道，經(jīng)過輸水管道將一級泵站加壓后的水源輸送至凈水廠配水井。原水取水系統(tǒng)的時均流量為1850m3/s，日設(shè)計規(guī)模大高達20000m3/d。

2)以4臺型號D600-60×4的多級離心泵建設(shè)取水泵站，揚程H為220-240-260m，流量Q為660-600-500m3/d，水泵中心標高581.25m，轉(zhuǎn)速n為1 482r/min，電機功率N為580kw。正常供水時兩臺運行，最小、最大取水流量時實行一臺運行和三用一備運行。輸水管線選用耐壓等級為4.0MPa的兩根DN 550鋼管，管線總長為3 160m。在泵房底部對每根輸水管道各設(shè)一臺D108預(yù)放閥和D159泄放閥，預(yù)放閥和泄放法中心標高為580.5m、581.2m。

3)合理設(shè)計取水水位參數(shù)：水廠配水井水位810.0m、常年運行水位620.0m、校核洪水位650.0m、最低水位596.0m、正常蓄水位630.0m。

4)將12套快速排氣閥安裝于輸水管道系統(tǒng)內(nèi)，分別安裝于管道連接處(2處)、管道駝峰點(3處)、橋管(1處)，同時將液控止回閥安裝于每臺水泵出口處，止回閥安裝于管道系統(tǒng)連接處。由于該供水系統(tǒng)位于地形起伏較大的山區(qū)，最大地形高差達210m，突然斷電產(chǎn)生的水錘所造成的危害巨大。

2.2 計算結(jié)果

該輸水系統(tǒng)發(fā)生水錘危害的主要點位有三個空氣閥位置-駝峰、橋管-管道膝部、預(yù)放閥或泄放閥-控制設(shè)備關(guān)鍵點、泵后液控止回閥-壓力最大點。系統(tǒng)正常運行有三泵部分雙管、三泵雙管、單泵單管、雙泵雙管4種工況，正常運行工況下突然斷電產(chǎn)生的水錘計算結(jié)果見表1。

表1 供水系統(tǒng)點位水錘計算

由表1可知，高峰供水工況下(工況3)泵后液控止回閥處出現(xiàn)最大壓力315m；設(shè)定預(yù)放閥和泄放閥控制壓力為280m，該條件下預(yù)放法和泄放閥將動作對泵站發(fā)揮相應(yīng)的保護作用；三個駝峰處的空氣閥都將吸氣保護管道，以防管道形成抽氣作用及發(fā)生水流汽化。

該系統(tǒng)主要有預(yù)放閥與泄放閥、管道止回閥與液控止回閥、管道空氣閥三個水錘防護設(shè)施，并且每個設(shè)施所發(fā)揮的保護作用存在差異，當防護設(shè)施發(fā)生故障時經(jīng)水錘計算可得出的結(jié)論如下：

1)空氣閥失效且駝峰處壓力<10m的情況下，水流將產(chǎn)生汽化形成氣阻現(xiàn)象，再度彌合管道斷流空腔形成水錘，并產(chǎn)生負壓抽吸作用，供水水質(zhì)面臨著二次污染的風(fēng)險，供水系統(tǒng)安全運行受到威脅。

2)三泵雙管運行工況下最小端管道止回閥失效時，突然斷電進行水錘計算，結(jié)果顯示泵后液控止回閥處出現(xiàn)最大壓力值350m，從而導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生漏水。

3)預(yù)放閥和泄放閥同時失效時，設(shè)置的泄放閥和預(yù)放閥都失去保護泵站的作用。突然斷電時，對三泵雙管運行工況下產(chǎn)生的水錘進行計算分析，結(jié)果顯示泵后液控止回閥處出現(xiàn)最大壓力值360m，從而使得接頭處產(chǎn)生漏水。

4)最下端管道止回閥、預(yù)放閥和泄放閥都失效且有一段管道關(guān)閉時，突然斷電時，對最不利情況(三泵部分兩管運行工況)下的水錘進行計算分析，結(jié)果顯示泵后液控止回閥處出現(xiàn)最大壓力值480m，管道接頭出現(xiàn)脫位對管道安全運行構(gòu)成威脅[11-12]。

3 結(jié) 論

文章以北票市農(nóng)村供水工程為例，通過計算分析突然斷電產(chǎn)生的水錘，得出的基本結(jié)論如下：①對于地形起伏較大的山區(qū)有必要設(shè)置相應(yīng)的空氣閥、止回閥等防水錘設(shè)施，防水錘設(shè)施的布設(shè)對供水管道防護發(fā)揮著重要作用。②加快制定切實可行的巡檢制度，供水管理部門要對空氣閥、止回閥等防水錘設(shè)施進行定期巡檢，以防空氣閥失效形成抽吸作用和水流汽化，以及預(yù)放閥、泄放閥和止回閥同時損壞時無法保證系統(tǒng)的安全運行。③該供水系統(tǒng)的泵站運行揚程處于200-240m范圍，正常運行工況下發(fā)生停泵水錘時，結(jié)合液控止回閥最大壓力300m合理確定預(yù)放閥、泄放閥控制壓力為280m，由此以來既不會頻繁動作又能有效保護系統(tǒng)。