农村供水工程突然断电产生水锤计算分析

刘宝祥

(北票市长皋水利服务站，辽宁 朝阳 122109)

0 引 言

水锤是指正常运行的有压供水工程，遇阀门过快关闭或突然停电时，由于惯性作用有压水流产生往复周期性冲击，并伴随着压力升降产生像锤子敲打一样的现象[1]。阀门或者管道承受水锤作用产生的正压，压力过大则供水系统发生破坏；水锤产生的负压可形成抽吸现象，由于压力降低水流被汽化，形成的空气腔对供水产生阻碍，若管道连接不严管外污水杂质，将被抽吸进入管道造成水质污染[2]。当被空气腔阻断的水流再度弥合时，两水柱剧烈碰撞，并产生压力很高且具有直接水锤特征的断流弥合水锤，管道安全受到极大威胁[3-5]。

受建筑物或复杂地形条件等因素的限制，供水工程管线往往具有较大的变化起伏，其中最常见、最突出的问题就是如何防护好输水管线安全。过快关闭管道末端阀门极易产生水力瞬变的情况，系统内压力的剧烈升高或降低易造成管道接头断开、阀门破坏、甚至管道爆裂或压瘪等问题。目前，国内外学者深入研究了供水管道输水和水锤防护技术，如Elliot等以韦纳奇地区为例，通过模拟瞬态试验和现场试验提出了防止城市供水系统产生水锤的空气阀；Streeter等提出了分段关阀法，以更好地控制水锤对整个供水系统的影响，这种关阀规律被广泛应用于诸多实践工程；高将等研究了超压泄压阀和调压塔的工作原理、结构特征，并提出水锤防护的技术要点和边界条件，通过对比分析提出超压泄压阀，以更好地控制管道压力，此外调压塔能够有效降低或消除供水管路的正压和负压[6-8]。

近年来，北票市致力于农村供水升级改造、新建扩建、续建配套等工程建设，并制定了系统完善的运行管理体系，逐步实现了城市与农村全天不间断的“同质、同源、同网”供水。然而，工程运行过程中经常发生停泵水锤，若不采取有效的措施极易造成阀门损坏、管道爆裂等，供水工程正常运行和供水安全受到严重威胁。据此，文章以北票市农村供水工程为例，深入探讨了防水锤技术，旨在切实提高农村供水保证率。

1 研究方法

1.1 水锤计算理论

实际上，水锤就是非恒定的瞬时流动，可利用特征线法和非恒定流理论计算。根据相关资料，考虑利用Hammer水锤计算软件处理，该软件具有市场占有率高、人机交互好、适用范围广、计算精度高等优势[9-10]。

1.2 计算方法

以北票市某农村供水工程为例，通过对水锤变化规律的充分研究，选择安装空气阀、管道止回阀、液控止回阀和集成应用供水管网压力监测技术，对相关数据利用Hammer软件进行计算，从而构建防水锤技术体系。

2 实例分析

2.1 工程参数

1)以地下水为供水水源，山地、高坡地段布设输水管道，经过输水管道将一级泵站加压后的水源输送至净水厂配水井。原水取水系统的时均流量为1850m3/s，日设计规模大高达20000m3/d。

2)以4台型号D600-60×4的多级离心泵建设取水泵站，扬程H为220-240-260m，流量Q为660-600-500m3/d，水泵中心标高581.25m，转速n为1 482r/min，电机功率N为580kw。正常供水时两台运行，最小、最大取水流量时实行一台运行和三用一备运行。输水管线选用耐压等级为4.0MPa的两根DN 550钢管，管线总长为3 160m。在泵房底部对每根输水管道各设一台D108预放阀和D159泄放阀，预放阀和泄放法中心标高为580.5m、581.2m。

3)合理设计取水水位参数：水厂配水井水位810.0m、常年运行水位620.0m、校核洪水位650.0m、最低水位596.0m、正常蓄水位630.0m。

4)将12套快速排气阀安装于输水管道系统内，分别安装于管道连接处(2处)、管道驼峰点(3处)、桥管(1处)，同时将液控止回阀安装于每台水泵出口处，止回阀安装于管道系统连接处。由于该供水系统位于地形起伏较大的山区，最大地形高差达210m，突然断电产生的水锤所造成的危害巨大。

2.2 计算结果

该输水系统发生水锤危害的主要点位有三个空气阀位置-驼峰、桥管-管道膝部、预放阀或泄放阀-控制设备关键点、泵后液控止回阀-压力最大点。系统正常运行有三泵部分双管、三泵双管、单泵单管、双泵双管4种工况，正常运行工况下突然断电产生的水锤计算结果见表1。

表1 供水系统点位水锤计算

由表1可知，高峰供水工况下(工况3)泵后液控止回阀处出现最大压力315m；设定预放阀和泄放阀控制压力为280m，该条件下预放法和泄放阀将动作对泵站发挥相应的保护作用；三个驼峰处的空气阀都将吸气保护管道，以防管道形成抽气作用及发生水流汽化。

该系统主要有预放阀与泄放阀、管道止回阀与液控止回阀、管道空气阀三个水锤防护设施，并且每个设施所发挥的保护作用存在差异，当防护设施发生故障时经水锤计算可得出的结论如下：

1)空气阀失效且驼峰处压力<10m的情况下，水流将产生汽化形成气阻现象，再度弥合管道断流空腔形成水锤，并产生负压抽吸作用，供水水质面临着二次污染的风险，供水系统安全运行受到威胁。

2)三泵双管运行工况下最小端管道止回阀失效时，突然断电进行水锤计算，结果显示泵后液控止回阀处出现最大压力值350m，从而导致接头处产生漏水。

3)预放阀和泄放阀同时失效时，设置的泄放阀和预放阀都失去保护泵站的作用。突然断电时，对三泵双管运行工况下产生的水锤进行计算分析，结果显示泵后液控止回阀处出现最大压力值360m，从而使得接头处产生漏水。

4)最下端管道止回阀、预放阀和泄放阀都失效且有一段管道关闭时，突然断电时，对最不利情况(三泵部分两管运行工况)下的水锤进行计算分析，结果显示泵后液控止回阀处出现最大压力值480m，管道接头出现脱位对管道安全运行构成威胁[11-12]。

3 结 论

文章以北票市农村供水工程为例，通过计算分析突然断电产生的水锤，得出的基本结论如下：①对于地形起伏较大的山区有必要设置相应的空气阀、止回阀等防水锤设施，防水锤设施的布设对供水管道防护发挥着重要作用。②加快制定切实可行的巡检制度，供水管理部门要对空气阀、止回阀等防水锤设施进行定期巡检，以防空气阀失效形成抽吸作用和水流汽化，以及预放阀、泄放阀和止回阀同时损坏时无法保证系统的安全运行。③该供水系统的泵站运行扬程处于200-240m范围，正常运行工况下发生停泵水锤时，结合液控止回阀最大压力300m合理确定预放阀、泄放阀控制压力为280m，由此以来既不会频繁动作又能有效保护系统。