水錘消除措施在南水北調續建配套工程中的應用

張大雷　汪春林　趙曉輝

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水錘消除措施在南水北調續建配套工程中的應用

張大雷1汪春林1趙曉輝2

南水北調是一項國家基礎性、戰略性工程，通過跨流域調水，實現水資源合理調配，解決北方地區水資源短缺問題，促進全國經濟、社會與人口、資源、環境的協調發展；南水北調續建配套工程是各省、各市連接南水北調干線工程的支線工程，將干線工程調引來的長江水、黃河水輸送至當地調蓄水庫或水廠，是南水北調工程效益發揮的“最后一公里”。南水北調續建配套工程通過渠道、管道調水，長度幾十、上百公里，屬于長距離輸水工程，在工程運行過程中，水錘的產生和消除直接影響到工程安全，不容忽視。

一、水錘產生的基本原理和主要分類

水錘指在壓力管道中因流速激烈變化，在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力現象。水錘的產生造成管路中壓力的急劇增加或產生負壓，引起管路的破裂，甚至造成其他重大安全事故。

在壓力輸水管道的停泵、啟泵、關閥、開閥、正常運行及流量調節中都可能產生水錘，從產生機理上主要分為停泵水錘、關閥水錘、彌合水錘和充水水錘等幾種。停泵水錘是停泵后，水泵之后管道由于沒有連續水流補充，造成壓力下降，產生水錘，水錘波向出口傳遞，到達出口后返回，返回的壓力波使水泵后管道壓力升高，壓力波若遇到止回閥等阻擋，會繼續返回，在管道中進行阻尼震蕩。關閥水錘是指在輸水壓力管道中，閥門關閉，但水繼續流動造成閥門前壓力急劇上升，并在管道中傳播，對閥門及周邊管道造成的壓力沖擊。彌合水錘是由于管道中水柱分離形成負壓，分離水柱重新返回撞擊，造成負壓段及其周邊管道壓力上升。充水水錘是指長距離輸水管道因地形高低起伏，在上一次輸水過程中，低洼處不可避免積存水，此次輸水水流對低洼處積水撞擊，引起周邊管路壓力升高。

二、充水水錘和關閥水錘的消除

防止充水水錘的產生，主要通過控制充水速度。根據工程類比經驗和理論計算數據，壓力管道輸水時，充水流速宜為0.3～0.5m/s，最大不易超過1m/s。太低流速帶不走管道存氣，不利于管道排氣，也使通水時間過長；太高流速可能使管道充水速度大于排氣速度，造成氣堵，引起壓力震蕩。

防止關閥水錘的產生，主要通過控制閥門關閉時間，使水流速度慢慢下降，動能逐漸減少。根據資料，在10個水錘周期內關閉閥門，可有效降低水錘強度。

三、停泵水錘和彌合水錘的消除

停泵水錘和彌合水錘是長距離輸水中最容易產生、造成的破壞最大，是最應該引起工程設計和運行管理者注意的問題。消除停泵水錘和彌合水錘，常用的方法包括在水泵出口設兩階段緩閉閥門、設調壓塔和在管道合適位置布置進（排）氣閥門等。本文通過南水北調續建配套工程實例，說明如何消除停泵水錘和彌合水錘。

1.工程基本資料

某加壓泵站向調蓄水庫輸水，水泵5臺（4用1備），單泵流量0.30m3/s，揚程58m，水泵轉速1480rpm，水泵和電機轉動慣量10.839kg·m。管路全長4.2km，1+530～1+700段采用螺旋焊接鋼管，鋼管壁厚10mm；2+240～2+500段采用螺旋焊接鋼管，鋼管壁厚10mm；其他部分采用球墨鑄鐵管，壁厚為15.3mm；全段管道的耐壓等級為1.1MPa，管徑DN1200mm，管道流量1.17m3/s；進水池設計水位39.22m，出水池設計水位81.36m。

2.計算假定和相關參數

計算假定：管道壓力系統水流為一元流，管壁和水體為線彈性；管道進入水池的末端出口無拍門，按淹沒出流計算，瞬變流分析過程中水池水位不變，水中不含空氣氣泡和泥沙。

相關參數：管道阻力n=0.012；1+530～1+700段水錘波速1007.82 m/s，其余段1116.77m/s。

3.水錘分析的數學模型及計算方法

水錘分析計算中將發生水柱分離之前和水柱彌合之后的水流視作連續的流體，采用特征線法進行水錘計算，而一旦發生水柱分離，則按照水柱分離數學模型進行計算。

（1）水錘基本方程及帶插值的特征線法

沿特征線方向水錘全微分方程：

由于每段管段的水錘波傳播速度不一致，在水錘計算過程中，為了采用相同的時間步長，需要采用帶插值的特征線法。

（2）水柱分離模型

水柱分離模型采用美國密西根大學E.B.Wylie和V.L.Streeter教授于20世紀70年代提出的模型，在計算彌合水錘壓力時考慮兩股水柱碰撞的特點，計算結果較不考慮水柱分離的常規計算模型更接近實際值。根據連續性方程，在計算時間內所產生的水柱分離的體積應為：

所產生的急劇壓力升高值可由下式計算：

式中：Qp為時間步長Δt內流出計算截面的平均流量；Qpu為流入截面的平均流量。

4.水錘計算中管道參數控制標準

根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》和《泵站設計規范》要求，發生水錘時管道最大壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力，最低壓力不小于-7.0m水頭；事故停泵水泵反轉速度不應大于額定轉速1.2倍，超過額定轉速的持續時間不應超過2min。

圖1　水泵突然斷電、無防水錘措施條件下泵站至水庫管道沿程壓力包絡線圖

圖2　采取增設排氣閥、3s關90%60s關100%措施后泵站至水庫管道沿程壓力包絡線圖

表1　管道特征計算值表

5.水錘計算

先計算穩定流工況下管線水壓分布，計算結果作為水力過渡過程計算初始條件；在不考慮任何防水錘措施條件下，進行停泵水力過渡過程計算，分析水泵及管道沿線控制指標是否超規范允許值；優化布置防水錘措施，重新進行停泵水力過渡過程計算，保證控制指標不超規范允許值。

（1）恒定流工況計算分析

恒定流工況下計算泵站至調蓄水庫沿程水壓成果見圖1。通過運算可知，恒定流工況管道能正常工作，管道壓力正常。

（2）無防水錘措施條件下計算分析

水泵突然斷電、無防水錘措施條件下，計算泵站至水庫管道沿程水錘壓力包絡線見圖1，特征計算值見表1。

從圖1和表1可以看出，水泵突然斷電、無防水錘措施工況下，最高壓力在管線承壓1.1MPa范圍內，但管道有大范圍負壓，最低負壓-10.0m，產生水柱拉斷，形成彌合水錘，因此必須考慮負壓防護措施。

（3）采取防水錘措施條件下計算分析

根據沒有采取防水錘措施條件下的計算分析結果，優化比選防水錘措施方案，具體包括：在水泵出口設置液控緩閉止回閥。閥門分兩階段關閉，第一階段關閉90%，關閉時間比選3s、5s、7s三種方案，第二階段關閉10%，關閉時間比選60s、90s、120s三種方案。通過試算，選定3s關閉90%，60s關閉100%方案，采取緩閉措施后，負壓值降至-5.0m，但未消除；最大反轉速、最大反向流量大大減少；最高壓力改變不大。管線上增加復合式排氣進氣閥，實現管線運行中的排氣和補氣。排氣閥布置原則是，管線隆起處設、平直段不超過1km處設、負壓較大處增設。排氣進氣口徑按管道直徑1/8～1/5取200mm。閥門位置經水錘計算確定，沿線共設5處復合排氣進氣閥，分別位于0+390、0+920、1+320、2+220、2+870、3+420、3+907/4+060、4+181。

空氣罐方案因投資、管理、環境等原因未考慮。對水泵出口液控緩閉時間方案與復合進排氣閥方案組合，選定方案后水力過渡過程計算成果見圖2和表1。

從圖2和表1可以看出，采取設置緩閉閥、增設排氣閥措施后，泵站和輸水管路各項運行指標均滿足要求。

四、結語

采取上述措施的南水北調某市配套工程泵站及輸水管路已經通過驗收，于2015年輸水2300萬m3。從運行情況來看，泵站及輸水管路防水錘方案合理，能夠滿足工程調水運行各種實際工況，保證了工程輸水安全■

（作者單位：1.山東省煙臺市南水北調工程建設管理局2640012.煙臺國際經濟技術合作集團有限公司264001）

（專欄編輯：顧梅）