長距離重力流輸水管路水錘防護研究

蔣琳琳，張炅冏，陳琦瑩

長距離重力流輸水管路水錘防護研究

蔣琳琳1，張炅冏2，陳琦瑩2

（1.天津大學仁愛學院，天津301636；2.海河下游管理局，天津300061）

長距離重力流輸水管路距離長、支線多、落差大，當末端水廠閥門突然關閉時，管路則產生破壞性較大的水錘壓力。在輸水管路中采取合理的水錘防護措施，為保證輸水工程的可靠性提供了重要作用。以河南葉縣的南水北調受水區供水配套輸水工程為研究對象，對管路末端水廠閥門同時關閉產生的水錘壓力進行模擬計算，采用空氣閥、超壓泄壓閥相結合的方式作為水錘防護措施。由計算結果發現空氣閥、超壓泄壓閥聯合防護能有效減小管路中產生的水錘壓力，研究成果可為類似工程的水錘防護提供參考。

長距離重力流；輸水管路；水錘壓力；水錘防護

1　前言

長距離重力流依靠管路進出口地勢高差進行輸水，當管路中閘閥突然啟閉會引起管內流速突然變化產生較大的水錘壓力，可引起管路系統強烈振動、管件接頭松動、閥門破壞甚至管路爆裂等問題。

重力流輸水管路的水錘問題與管路特點和布置形式有關，因此管路的水力過渡過程和水錘防護問題一直被研究。楊紀偉［1］總結了不同設計流量下管路動水壓力特點和分布規律；張健［2］提出不同工況管路設置空氣閥的通用準則和公式；鄭興興［3］分析了水錘管路中空氣閥和單向調壓塔聯合防護的效果。筆者通過數值模擬對某長距離重力流輸水管路末端閥門關閉產生的水力過渡過程進行計算，建議設置水錘防護措施確保管路安全穩定運行。

2　計算對象及模型

2.1計算對象

河南省葉縣的南水北調受水區供水配套輸水工程，利用地勢落差采用重力流輸水方式向不同水廠供水。輸水管路包括主干線1條，支線6條。主干線長144 km，管徑2.6～1.6 m，為PCCP管。支線總長31 km，管徑1.2～0.8 m，為鋼管。主干線進、出口高差82.325 m。輸水工程分段及管路參數見表1，供水線路布置如圖1所示。

表1　輸水工程分段及管路參數

圖1　供水線路

2.2計算模型

建立該輸水工程模型，在主干線和支線末端的水廠處設置調流閥，在分流口前、各支線入口處建立控制閥。對末端水廠關閥引起的管路水錘現象進行研究。管路計算模型，如圖2所示。

圖2　管路計算模型

3　計算過程分析

3.1正常輸水

正常輸水時，各管路均可達到管設計流量。主管沿程壓力先增大后減小，在樁號21+044.35干江河倒虹吸工程處，由于該位置管中心高程較低，壓力達到60 mH2O，為輸水管路中的最大值。

其余支線壓力由入口向出口逐漸減小，壓力最大值均在40 mH2O以內。穩定輸水各管路最大壓力及位置，見表2。由此可見，管路正常輸水時管中壓力不大。

表2　正常輸水各管路最大壓力及位置mH2O

3.2無防護措施時同時關閥

水廠出現事故時應盡快關閉管線末端的調流閥，但關閥過快又會引起較大的水錘壓力，借鑒國內已有工程實例，各管末端調流閥均以900 s線性關閉。8個水廠同時關閥，各管流速減小，壓力增加到最大，為最不利關閥方案。在管路無防護措施的情況下進行同時關閥水錘模擬，由表3可知，此種關閥方案下，整個管路的水錘壓力最大值在主干線末端143+ 924附近，為165.1 mH2O。在主干線中部，從支線傳入主干線的水錘波沿主干線水流向正、反兩方向傳播，水錘波升壓相互疊加，減小了主干線的水錘壓力。而主干線末端調流閥關閉所產生的水錘波只能沿主干線反向傳播，導致主干線末端出現最大水錘壓力。

表3　無防護措施下8個水廠同時關閥的特征壓力mH2O

3.3設置防護措施時同時關閥

目前，水錘防護裝置包括空氣閥、空氣罐、調壓塔、水錘消除器等。而空氣閥以其經濟、安全、可靠的特點被廣泛用在工程中。當空氣閥附近的管內壓力低于大氣壓，空氣閥打開進氣防止管內負壓的產生；當空氣閥附近的管內壓力高于大氣壓時，空氣閥自動打開進行排氣。因此，空氣閥可以排除管路通水初期未能排盡或管內壓力減小從水中釋放出來的氣體，又能補氣防止負壓，消除輸水管路中液柱分離產生的水錘。

我國《室外給水設計規范》［4］規定：輸水管（渠）道隆起點上應設通氣設備，管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設1處通氣設施，配水管道根據工程需要設置空氣閥。根據該規范中空氣閥的設置原則，每隔0.5～1.0 km安裝1個兼有進/排氣功能的空氣閥，此時空氣閥的作用主要是滿足管路產生負壓時進氣、通水時對管路排氣的功能。并適當在高程較大的駝峰、向上隆起的拐點處增設空氣閥，其目的是防止管路中液柱分離產生水錘。

通過試算和優化，沿線共布置排氣閥326個，其中主干線為252個。空氣閥孔徑以以色列A.R.I. Flow Control Accessories公司設計空氣閥時采用的方法確定［5］。用孔口出流公式計算出管路泄水放空時的最大排水量，由水與空氣容積平衡原理確定管路的補氣量，并用海森-威廉方程計算出發生水錘時管段需要的補氣量，根據補氣量的最大值確定空氣閥的孔徑。

其計算公式為：

式中：D為輸水管直徑（mm）；φ為系數，取0.9；v2為輸水管線泄水或充水的最大流速（m/s）；v1為閥孔處氣流流速，取40～50 m/s。

該輸水管路支線管徑以0.8 m為主，最大流速1.5 m/s，確定空氣閥孔徑約為0.15 m。

由于空氣閥在管路產生負壓時，只能通過快速進氣緩解負壓，因此對負壓的消除效果并不完全，如果水流產生的負壓超過空氣閥的安全閾量，管路同樣可能會受到較大的水錘破壞。因此，對管路設置超壓泄壓閥進行聯合防護。當閥前壓力超過預先設定的壓力值時，閥門打開釋放部分高壓水，壓力降于設計壓力以下，閥門自動關閉。超壓泄壓閥公稱直徑按管道直徑的1/5～1/4選取，其界限壓力應等于或大于最大正常使用壓力加0.15～0.2 MPa［6］，安裝在輸水工程末端管線上，位于關閉閥上游，且盡量設置在有倒虹吸等管路高程較低的位置。

超壓泄壓閥在管路中的位置采用試算法逐個安裝在管路壓力最大處，最終確定在主干線、支線共15處分別安裝1臺超壓泄壓閥，界限壓力為92、100 mH2O 2種，公稱直徑DN200。

當管路設置防護措施時，8個水廠同時關閥，主干線最大水錘壓力降至93.3 mH2O，由表4可知，各水廠調流閥所在斷面的最大水錘壓力值均在100 mH2O以內，未超過穩態工況最大壓力的1.5倍。

表4　設置防護措施下8個水廠同時關閥的特征壓力mH2O

3.4無/設置防護措施的效果比較

由圖3可知，當管路設置水錘防護措施時，在8個水廠同時關閥情況下，最小壓力線在穩定運行壓力線之下；最大壓力線全線平穩，變化幅度較小，有效控制了主干線末端產生的關閥水錘升壓，防護效果顯著。對比2種情況下的計算結果，沿程最大水錘壓力由165.1 mH2O下降到93.3 mH2O，水錘壓力下降43.4％。因此，空氣閥與超壓泄壓閥的聯合使用能有效減小重力流輸水管路的水錘壓力。

圖3　主干線壓力對比

4　結語

根據上述結果可知，針對距離長、支線多、落差大的重力流輸水管線，在無防護措施情況下，當末端水廠閥門同時關閉時會出現較大水錘壓力，對管路產生極大破壞。通過在管路中設置空氣閥，在水錘壓力較高處安裝超壓泄壓閥，不僅降低了管路沿線最大壓力，同時主干線末端的水錘升壓也得到有效控制，可保證輸水管路的安全運行。

［1］楊紀偉，鄭薇薇，李書芳，等.重力輸水管路水壓特性分析［J］.人民黃河，2009，31（2）：80-81.

［2］張健，朱雪強，曲興輝，等.長距離供水工程空氣閥設置理論分析［J］.水利學報，2011，42（9）：1025-1033.

［3］鄭興興，張健，何喻，等.空氣閥的水錘防護性能及其在聯合防護中的應用［J］.水電能源科學，2014，32（2）：167-170.

［4］GB50013-2006，室外給水設計規范［S］.

［5］賴冬根.長距離輸水管線空氣閥設置的研究［J］.科技情報開發與經濟，2008，18（26）：189-191.

［6］楊寶奎，朱滿林，程虹，等.水錘計算中壓力管道的分段問題研究［J］.水利水電技術，2007，38（1）：53-56.

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1004-7328（2016）04-0053-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.017

2016—03—11

蔣琳琳（1988—），女，助教，主要從事工程水力學研究工作。