高扬程小流量供水系统水锤防护设计

李 鹤

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

乌伦古河供水系统位于新疆维吾尔自治区富蕴县境内，由泵站、输水管道和末端调节水池组成，供水规模170m3/h，水泵设计扬程338m，属于典型的高扬程、小流量供水系统，输水管道采用涂塑复合螺旋焊管，管道总长32.2km，外径D325，水泵机组特性见表1。

表1 水泵机组主要参数

2 研究内容

(1)针对乌伦古河供水系统运行中的危险工况(事故突然断电泵后止回阀拒动)进行模拟，观察管道各节点的压力变化、管道流量变化，以及泵转速变化过程中的动态数据，预测水锤工况下对管道的危害程度。

(2)针对水锤分析结果提出防护方案，分析空气阀、泄压阀、水锤消除阀、水锤消除罐和单向调压塔等通用防护设备对输水管道和泵站的防护效果。

3 水锤分析模型建立

乌伦古河供水系统使用Pipe2014水锤分析软件进行计算，该软件是基于波特性法为理论依据而研发的水锤分析软件。

(1)流速计算公式：

(1)

式中，Q—流量；D—管道内径。

(2)直接水锤计算公式(儒科夫斯基公式)：

(2)

式中，ΔH—压力变化量；c—波速；g—重力加速度；ΔV—流速的变化量。

当关阀时间t≤2L/c，校核直接水锤影响。

(3)波速计算公式：

(3)

(4)间接水锤计算公式：基于波特性法(WCM)的基本偏微分方程，当关阀时间t≥2L/c，校核间接水锤影响。

连续方程

(4)

动量方程

(5)

水头损失计算公式：

(6)

式中，Q—管道内流量；L—管道长度；C—威廉姆斯系数；D—管道内径。

弹性模量K=21.9×108N/m2

介质密度ρ=998N·s2/m4

管材参数：

杨氏模量E=20.5×1010N/m2

泊松比μ=0.28

4 最不利工况分析

根据乌伦古河供水系统设计分析，以瞬态管流源于管道系统水力扰动所产生的压力波的发生和传播这一物理概念为理论基础，通过追踪水锤波的发生、传播、反射和干射计算各节点不同时段的瞬态压力值。管道发生水锤的最不利工况应是在无防护状态下水泵突然断电，泵后止回阀拒动，发生断电水锤的工况。针对该工况利用Pipe2014水锤分析软件计算并绘制水力包络线、最大/最小压力包络线、泵后止回阀处压力变化线和水泵转速变化线。见图1～图4。

图1 水力包络线

图2 最大/最小压力包络线

图3 泵后止回阀处压力变化线

图4 水泵转速变化线

根据计算，管道最大压力329.5m，发生在泵后止回阀处，同时，在管道桩号15+000m～32+200m段管道有严重负压，水泵最大反转转速为-3000r/min，且反向转速持续时间大于2min，不满足规范要求。

5 最不利工况防护方案选择

针对最不利工况下管道压力大，水泵反向转速大、持续时间长的问题，目前常采用措施主要有：水锤消除罐+空气阀；调压塔+空气阀。

5.1 水锤消除罐+空气阀

根据供水系统供水规模，采用1台2m3水锤消除罐，根据规范要求沿线空气阀在地形平缓段每隔1km布置1台，地形起伏段处在高点处布置一台，根据防护措施布置，利用Pipe2014水锤分析软件进行计算，计算结果见图5、图6。

图5 采用水锤消除罐+空气阀后泵站止回阀后压力变化

图6 采用水锤消除罐+空气阀后泵站止回阀后水泵转速变化

5.2 调压塔+空气阀

根据供水系统供水规模，采用2座单向调压塔，调压塔直径2m，高度5m，沿线空气阀布置与水锤消除罐方案相同，根据防护措施布置，利用Pipe2014水锤分析软件进行计算，结果见图7、图8。

图7 采用调压塔+空气阀后泵站止回阀后压力变化

图8 采用调压塔+空气阀后泵站止回阀后水泵转速变化

5.3 防护措施分析

在两种不同措施的防护下，管道沿线负压水锤急剧减小，水泵转速下降，两种防护措施计算结果见表2。

表2 两种防护措施计算结果

根据表中数据可以看出，两种措施均能满足防护要求，但调压塔后期维护工作量较大，并且由于需要安装在管道沿线，工程区所在地冬季气候寒冷，保温采暖难度较大，因此，最终采用水锤消除罐+空气阀的防护方案。

6 结语

水锤效应具有极大的破坏性，在高扬程供水系统中表现尤为明显，乌伦古河供水系统是典型的高扬程、小流量供水系统，该系统采用基于波特性法为理论依据而研发Pipe2014水锤分析软件进行计算，计算结果为供水系统管材压力的选择、空气阀和水锤消除罐的设置提供了可靠的理论依据，目前，乌伦古河供水系统采用推荐的水锤防护措施，效果显著，运行状况良好，未发生因水锤而产生的破坏。