長距離供水工程的關(guān)閥水錘與線路充填問題探討

姚財鴻

摘 要：主要分析了長距離供水工程中關(guān)閥水錘特性和出現(xiàn)的線路填充現(xiàn)象，在無摩阻輸水系統(tǒng)水錘公式的基礎(chǔ)上，分別探討了長距離供水系統(tǒng)的直接水錘和間接水錘，以期能為相關(guān)管道設(shè)計和運行調(diào)度提供理論參考。

關(guān)鍵詞：長距離供水工程；直接水錘；間接水錘；線路填充

中圖分類號：TV134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.107

長距離供水工程是解決水資源時空分布不均的主要途徑，其沿線地形地質(zhì)情況比較復(fù)雜，存在多條支路，需在多處設(shè)置閥門。在工程運行的過程中，水錘會嚴(yán)重影響整個輸水系統(tǒng)的安全，而關(guān)閉水閥所產(chǎn)生的巨大壓力也是不容忽視的。水錘防護和運行調(diào)度已經(jīng)成為了長距離供水工程面臨的主要問題之一。如果整個工程受地形條件的限制，就難以采取有效的穩(wěn)壓措施，只能關(guān)閉閥門來切斷水流，防止其對管道造成破壞。由茹科夫斯基公式可知，在無摩阻的情況下，系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大壓力可能是由直接水錘引起的，其壓力與關(guān)閥的時間無關(guān)。下面簡要探討了在長距離供水系統(tǒng)中，與直接水錘和間接水錘相關(guān)的問題。

1 長距離供水系統(tǒng)直接水錘

無摩阻流體輸送只是一種理想的假設(shè)，而且是在輸水管路很短的情況下獲取的，并沒有考慮到沿程和局部水力損失的問題。其中，沿程水頭損失是長距離輸水系統(tǒng)能量耗散的主要部分。在正常的情況下，每千米沿程水力（指管徑為2 m、流速為1.5 m和糙率0.012的管道）的損失約0.8 m。當(dāng)管道達(dá)到一定長度后，造成的水頭損失將會改變系統(tǒng)關(guān)閉水錘的特性。在實際狀態(tài)下，管道必然存在一定的摩阻，輸水系統(tǒng)在正常運行時造成的水頭損失也會降低閥前的初始壓力，關(guān)閥時間不同，計算結(jié)果也會不同，如表1所示。

表1 不同關(guān)閥時間直接水錘壓力特征統(tǒng)計

關(guān)閥時間 水錘特征

關(guān)閥結(jié)束時刻壓力/m 閥前最大壓力數(shù)值/m 閥前最大壓力/m 最大壓力發(fā)生時刻/s

瞬時 252.5 302.2 302.8 100.0

20 s 256.6 298.2 298.4 100.0

50 s 268.2 290.2 289.1 100.0

80 s 274.8 285.4 282.2 100.1

100 s 280.2 281.3 279.4 100.1

由統(tǒng)計結(jié)果可知，當(dāng)長距離供水系統(tǒng)出現(xiàn)直接水錘時，最大水錘壓力會隨著關(guān)閥時間的變化而變化，關(guān)閥時間越長，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力就越小。系統(tǒng)最大水錘壓力的出現(xiàn)時刻在關(guān)閥結(jié)束時刻之后，即存在一定的滯后性。滯后時間與關(guān)閥時間有關(guān)，關(guān)閥時間越短，最大水錘壓力出現(xiàn)的時間就越接近水錘波傳播周期的1/2. 長距離供水系統(tǒng)的水流慣性非常大，通常很難快速關(guān)閉管道末端閥門，而直接水錘事故也很少發(fā)生，因此，關(guān)于長距離供水系統(tǒng)直接水錘的探討并不具備實際操作意義。在此，有參考價值的是管道摩阻引起的水錘數(shù)值在量級上的變化。

2 長距離供水系統(tǒng)間接水錘

長距離供水系統(tǒng)的水錘類型以間接水錘為主，管道管材選取和承壓等級的確定均與其存在直接的聯(lián)系，這也是影響輸水工程造價和安全的關(guān)鍵因素。由于電站水力水錘理論計算公式

并未考慮到管道摩阻的因素，其與長距離供水系統(tǒng)的能量損失機制也存在很大的差異，所以，相關(guān)的水錘理論計算公式也不能套用于長距離供水系統(tǒng)中。由茹科夫斯基計算公式可知，當(dāng)關(guān)閉時間在200 s以內(nèi)，間接水錘數(shù)值就會超過直接水錘數(shù)值，在具備一定條件的情況下，甚至?xí)a(chǎn)生類似于直接水錘的效果。這說明，線路填充現(xiàn)象出現(xiàn)在了間接水錘中。

由上述分析可知，供水系統(tǒng)的最大水錘值與關(guān)閥時間有很大的關(guān)系，但是，從總體情況上來看，并沒有體現(xiàn)出比較明確的關(guān)閥規(guī)律。實際上，各分段折線均呈現(xiàn)出一定的關(guān)閥規(guī)律，與之前的關(guān)閥過程不存在實質(zhì)性的聯(lián)系。從多段折線關(guān)閥規(guī)律中不難看出，關(guān)閥過程與得到的水錘壓力過程線不同，但是，因為第二段折線規(guī)律是相同的，理論計算值非常接近，所以，最大水錘值也基本一致。利用折線關(guān)閉規(guī)律，在形式上并不能減少最大水錘值，但是，卻大幅度縮短了關(guān)閥時間，這在很大程度上提高了供水系統(tǒng)的事故響應(yīng)速度。從折線關(guān)閥規(guī)律中總結(jié)出的一些結(jié)論可知，雖然這些規(guī)律具有一定的普遍意義，但是，并不意味著它可以無限外延，尤其是首段和折點的直線規(guī)律，切不可隨意選取。同時，還可以結(jié)合管道和閥門的特性進行綜合論證，防止系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在關(guān)閥過程中，進而產(chǎn)生直接水錘。折線關(guān)閉規(guī)律可以縮短關(guān)閥的時間，但是，要想確保系統(tǒng)最大壓力能夠出現(xiàn)在關(guān)閥結(jié)束時，此過程就必須建立在十分可靠的閥門控制操作系統(tǒng)上。通常情況下，多采用蝶閥，但這其中也存在一定的問題——在蝶閥小開度的情況下，形成的機械慣性和巨大水力會促使系統(tǒng)自關(guān)，而一旦操控失靈，分段關(guān)閉受阻，整個輸水系統(tǒng)就面臨著巨大的威脅。

3 結(jié)束語

綜上所述，長距離供水系統(tǒng)的間接水錘特性要比直接水錘更為復(fù)雜，而由此產(chǎn)生的線路填充現(xiàn)象也更應(yīng)該引起關(guān)注，受到重視。通過對長距離供水工程中關(guān)閥水錘進行分類總結(jié)，分析了直接水錘和間接水錘的特性以及出現(xiàn)的線路填充現(xiàn)象，并探討了茹科夫斯基計算公式的適用范圍。結(jié)果顯示，當(dāng)出現(xiàn)直接水錘時，最大水錘壓力會隨著關(guān)閥時間的增多而減小，但存在一定的滯后性，其數(shù)值要比茹科夫斯基計算公式得出的理論數(shù)值大；當(dāng)出現(xiàn)間接水錘時，如果關(guān)閉時間控制不當(dāng)，也會產(chǎn)生類似直接水錘的效果，進而出現(xiàn)線路填充現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕