污水泵站水锤计算与缓闭止回阀的应用

孙秀芳
(宁波开发区城市污水管理处，浙江宁波315800)

　　摘　要：在污水泵站的系统与功能已确定的情况下，对最不利运行工况——两台泵同时停泵时产生的水锤波进行了计算，并依计算结果确定缓闭止回阀的关闭时间及管道、混凝土构筑物的设计强度。
　　关键词：污水泵站；水锤计算；缓闭止回阀
　　中图分类号：TU992.25
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)08-0048-02

1　工程概况

　　宁波北仑4#污水泵站位于松花江路与明州路交叉口附近，此泵站在规划中的作用是：岩河以西污水系统中通往污水处理厂的一个中间泵站。但目前位于岩河以西区域的高塘工业区招商引资速度很快，特别是麦芽公司的投产，要求岩河以西排污工程尽快实施。故将4#污水泵站作为排海泵站来满足高塘工业区的排污要求。本输水系统的设计难点在于确定管道、混合室的设计压力，而此压力则最终取决于水锤压力。

2　设计概况

　　该工程的设计与施工分成两个部分，即：北仑4#污水泵站、4#泵站排海压力管工程。泵站装机6台：H=201.88kPa，Q=1660m³/h(4用2备)，目前装机3台(2用1备)。
　　地下式泵房，压力管全长为4060m，DN10000，大泵出口段管径为DN500。
　　由于压力管沿途要过河、已建路、海堤等，设有虹吸、倒虹吸段，故属于水泵扬程大、输水管线长、高程变化大的输水系统。这种系统在实际运行中极易发生水锤，而该工程又属于泵站与压力管线分开设计，故没有进行水锤计算。但从泵站运行安全、维修方便角度出发，在泵出口设置了缓闭止回阀，在泵站出口设置了调压井，从而降低整个系统的水锤压力，降低整个系统的设计压力，以节约土建、设备投资，提高系统运行的安全性。高程关系详见图1。

3　水锤计算

3.1　水锤类型判别

　　μτ₀=aυ₀τ₀/(2gH₀)
　　式中　μ——水管特性常数，μ＝aυ₀/2gH₀
　　　　　υ₀——阀门全开启时的管道流速，m/s
　　　　　a——介质的水锤波速(介质为水时，取a=1000 m/s)
　　　　　H₀——上、下游水头差或水泵扬程，kPa
　　　　　τ₀——无量纲阀门开度(τ₀为起始开度)
　　阀门全开时，τ₀=1.0，每台水泵流量Q=1 660m³/h、扬程H=201.88 kPa。
　　因为最不利工况为2台水泵同时断电(目前泵站装机3台,为2用1备)，届时管内流速v₀＝1.174 2 m/s。当上、下游水头差H0=88.10 kPa，则μ=6.657，μτ₀＝6.657＞1，属极限水锤。当H₀=201.88kPa(水泵扬程)，则μ=2.905，μτ₀＝2.905＞1，属极限水锤。
3.2　水锤计算
　　采用下列公式：
　　　　　H_max＝(1+h_m)H₀
　　式中　H_max——最大水锤压力，kPa
　　　　　h_m——最大水锤压力相对值
　　对于极限水锤，h_m＝σ／2+［(σ+（σ²+4)^1/2］
　　式中　σ——水管特性常数，σ＝Lv0gH0Ts
　　　　　L——管道长度，L=4 160 m
　　　　　Ts——阀门关闭时间，s
　　水锤计算结果见表1。

表1　水锤计算表 水头 关闭时间 Ts＝10s Ts＝20s Ts＝30s Ts＝40s Ts＝50s Ts＝60 s H₀＝88.10 kPa σ=4160×1.1742/(9.81×8.99×10)
　=5.539
hm=5.539(5.539+(5.539²+4)^0.5)/2
　=31.65
Hmax=(1+31.65)×88.10=2876.46kPa σ＝2.769
hm＝8.56
Hmax＝842.21 kPa σ＝1.846
hm＝4.22
Hmax＝459.91 kPa σ＝1.385
hm＝2.64
Hmax＝320.65 kPa σ＝1.108
hm＝1.88
Hmax＝253.72 kPa σ＝0.923
hm＝1.44
Hmax＝215.01 kPa H₀＝201.88 kPa σ＝2.417
hm＝6.71
Hmax＝1556.53 kPa σ＝1.209
hm＝2.14
Hmax＝633.86 kPa σ＝0.805
hm＝1.19
Hmax＝442.07 kPa σ＝0.604
hm＝0.81
Hmax＝365.44 kPa σ＝0.483
hm＝0.61
Hmax＝325.06 kPa σ＝0.40
hm＝0.49
Hmax＝300.76 kPa

3.3　计算结果分析
　　北仑4#污水泵站采用的HH44X—10型缓闭阀的工作原理如下：
　　在进口端介质压力作用下，阀瓣自动开启到位，同时，液压缸内活塞上升到最高位置，阀门开启。当停泵或介质停止流动时，阀瓣在自重和回水压力下，首先迅速关闭到缓闭角位置，然后再慢关到全闭位置，以达到既停止介质大量倒流，又防止水锤升压的目的。
　　另外，可旋转缓闭调节阀来调节缓闭时间长短（即可调节Ts），顺时针调节时缓闭时间延长，逆时针调节时缓闭时间缩短。
　　主要性能参数：
　　　　　公称压力：1 MPa
　　　　　介质流速：≤5 m/s
　　　　　缓闭角：16°
　　进行系统的水锤计算，目的就是找到合适的关闭规律，确定阀门关闭时间(Ts)，从而确定土建结构设计强度，确定管道设计的工作、试验压力等级，确定调压井的高度等。
　　通过水锤计算表可以看出：无论上、下游水头差，还是水泵机组的扬程，只当Ts≥40 s时，即阀门从全开到全关要用40 s时，管道中的水锤值分别小于320.65 kPa、365.44 kPa。
　　根据水锤计算结果，扬程H=201.88 kPa、关闭时间Ts=40 s时的水锤压力值应选择较大值，据此确定4#泵站排海压力管工程的设计管道及混凝土结构的混合室内部工作压力为392.0 kPa，试验压力为588.00 kPa，从而确定管材为：泵站出口段、管桥段采用14 mm厚钢管，压力管末梢段采用承插接口的预应力混凝土管。

4　结论

　　①4#泵站调试期间,建议3台机组上安装的缓闭阀关闭时间确定为Ts≥40 s。
　　②正常运行期间，禁止2台机组同时停机。
　　③另外,关于止回阀的选择,应注意其关闭规律,最好为二段关闭:第一段在较短时间内阀瓣关到小开度(本工程选用16°),然后缓闭其余开度。
　　系统运行6年来，一直平稳正常。

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　　电　话：(0574)6860998
　　收稿日期：2001-03-26