污水泵站水錘計算與緩閉止回閥的應用

1　工程概況
寧波北侖4#污水泵站位於松花江路與明州路交叉口附近，此泵站在規劃中的作用是：岩河以西污水系統中通往污水處理廠的一個中間泵站。但目前位於岩河以西區域的高塘工業區招商引資速度很快，特別是麥芽公司的投產，要求岩河以西排污工程儘快實施。故將4#污水泵站作為排海泵站來滿足高塘工業區的排污要求。本輸水系統的設計難點在於確定管道、混合室的設計壓力，而此壓力則最終取決於水錘壓力。
2　設計概況
該工程的設計與施工分成兩個部分，即：北侖4#污水泵站、4#泵站排海壓力管工程。泵站裝機6台：h=201.88kpa，q=1660m3/h(4用2備)，目前裝機3台(2用1備)。
地下式泵房，壓力管全長為4060m，dn10000，大泵出口段管徑為dn500。
由於壓力管沿途要過河、已建路、海堤等，設有虹吸、倒虹吸段，故屬於水泵揚程大、輸水管線長、高程變化大的輸水系統。這種系統在實際運行中極易發生水錘，而該工程又屬於泵站與壓力管線分開設計，故沒有進行水錘計算。但從泵站運行安全、維修方便角度出發，在泵出口設置了緩閉止回閥，在泵站出口設置了調壓井，從而降低整個系統的水錘壓力，降低整個系統的設計壓力，以節約土建、設備投資，提高系統運行的安全性。
3　水錘計算

3.1　水錘類型判別

μτ0=aυ0τ0/(2gh0)
式中　μ——水管特性常數，μ＝aυ0/2gh0
　υ0——閥門全開啟時的管道流速，m/s
　a——介質的水錘波速(介質為水時，取a=1000 m/s)
　h0——上、下游水頭差或水泵揚程，kpa
　τ0——無量綱閥門開度(τ0為起始開度)
閥門全開時，τ0=1.0，每台水泵流量q=1 660m3/h、揚程h=201.88 kpa。
因為最不利工況為2台水泵同時斷電(目前泵站裝機3台,為2用1備)，屆時管內流速v0＝1.174 2 m/s。當上、下游水頭差h0=88.10 kpa，則μ=6.657，μτ0＝6.657＞1，屬極限水錘。當h0=201.88kpa(水泵揚程)，則μ=2.905，μτ0＝2.905＞1，屬極限水錘。
3.2　水錘計算
採用下列公式：
　hmax＝(1+hm)h0
式中　hmax——最大水錘壓力，kpa
　hm——最大水錘壓力相對值
對於極限水錘，hm＝σ／2+［(σ+（σ2+4)1/2］
式中　σ——水管特性常數，σ＝lv0gh0ts
　l——管道長度，l=4 160 m
　ts——閥門關閉時間，s
水錘計算結果見表1。

表1　水錘計算表
  水頭   關閉時間
ts＝10s    ts＝20s   ts＝30s    ts＝40s    ts＝50s    ts＝60 s
h0＝88.10 kpa   σ=4160×1.1742    σ＝2.769   σ＝1.846 σ＝1.385   σ＝1.108   σ＝0.923
/(9.81×8.99×10) hm＝8.56   hm＝4.22   hm＝2.64    hm＝1.88   hm＝1.44
　    =5.539
hm=5.539(5.539+   hmax＝842.21 hmax＝459. hmax＝320. hmax＝253.72 hmax＝215.01
   (5.5392+4)0.5)/2    kpa    91 kpa    65kpa    kpa   kpa
　   =31.65
hmax=(1+31.65)
×88.10=2876.46kpa
h0＝201.88 kpa σ＝2.417   σ＝1.209 σ＝0.805    σ＝0.604   σ＝0.483   σ＝0.40
hm＝6.71   hm＝2.14 hm＝1.19   hm＝0.81 hm＝0.61   hm＝0.49
hmax＝1556.53 kpa hmax＝633.86 hmax＝442.07 hmax＝365.44hmax＝325.06 hmax＝300.76
  kpa    kpa    kpa   kpa   kpa
3.3　計算結果分析
北侖4#污水泵站採用的hh44x—10型緩閉閥的工作原理如下：
在進口端介質壓力作用下，閥瓣自動開啟到位，同時，液壓缸內活塞上升到最高位置，閥門開啟。當停泵或介質停止流動時，閥瓣在自重和回水壓力下，首先迅速關閉到緩閉角位置，然後再慢關到全閉位置，以達到既停止介質大量倒流，又防止水錘升壓的目的。
另外，可旋轉緩閉調節閥來調節緩閉時間長短（即可調節ts），順時針調節時緩閉時間延長，逆時針調節時緩閉時間縮短。
主要性能參數：
　公稱壓力：1 mpa
　介質流速：≤5 m/s
　緩閉角：16°
進行系統的水錘計算，目的就是找到合適的關閉規律，確定閥門關閉時間(ts)，從而確定土建結構設計強度，確定管道設計的工作、試驗壓力等級，確定調壓井的高度等。
通過水錘計算表可以看出：無論上、下游水頭差，還是水泵機組的揚程，只當ts≥40 s時，即閥門從全開到全關要用40 s時，管道中的水錘值分別小於320.65 kpa、365.44 kpa。
根據水錘計算結果，揚程h=201.88 kpa、關閉時間ts=40 s時的水錘壓力值應選擇較大值，據此確定4#泵站排海壓力管工程的設計管道及混凝土結構的混合室內部工作壓力為392.0 kpa，試驗壓力為588.00 kpa，從而確定管材為：泵站出口段、管橋段採用14 mm厚鋼管，壓力管末梢段採用承插介面的預應力混凝土管。