老君廟二級供水工程水錘計算及防護

陸云才

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆準東地區是國家規劃建設的第14個能源基地(新疆)的重要組成部分，當地水資源極端匱乏，直接影響到準東地區的經濟發展。老君廟二級供水工程作為該區域的二級供水項目，主要解決準東工業園區西黑山、芨芨湖和老君廟片區的生產、生活用水問題。設計水平年的年供水量為3 150萬m3。老君廟二級供水工程通過3級泵站和56.70 km長的輸水管線將水輸送到老君廟事故備用水池，管線全年運行。根據沿線地形條件，管線布置分為3段。第1段：第1級泵站布置于將軍廟水池放水口處；輸水管線從將軍廟水池東側分水口沿省道S228 西側向南至第2級泵站，該段管線長度為14.93 km。第2段：第2級泵站與冬季調蓄水池結合，布置在規劃冬季調蓄水池放水口下游，具體位置在將軍廟景點以東約900 m 處，距離S228 省道約1 km；輸水管線從第2級泵站向南基本沿省道S228 東側布置，至第3級泵站。該段管線長度為22.31 km。第3段：第3級泵站布置在芨芨湖西礦井北部邊界中段，S228 省道東約3.6 km處；輸水管線從第3級泵站向東再向南沿芨芨湖西礦井北、東界線布置，至西黑山礦區與老君廟礦區間無煤帶處的事故備用水池。該段管線長度為19.46 km。

2 主要技術資料

2.1 水泵參數

本工程的輸水管線縱剖面布置如圖1，采用三級加壓供水方式進行輸水。第1級泵站、第2級泵站和第3級泵站近期均安裝4 臺機組，包括2 臺大泵和2 臺小泵，均采取1 臺大泵和2 臺小泵運行、1 臺大泵備用的運行方式，各級泵站水泵的性能參數見表1所示。

表1 水泵機組性能參數表

圖1 輸水管線縱剖面圖

2.2 泵出口閥門

本系統各水泵出口均安裝多功能水泵控制閥，該閥為水力自動閥門。其中：第1級泵站和第2級泵站水泵出口分別裝設有DN600(大泵)和DN500(小泵)各2 臺，第3級泵站分別裝設有DN500(大泵)和DN400(小泵)各2 臺。水泵出口閥門是抽水系統在正常、非正常情況下進行停泵斷流或進行水錘防護的重要設備，其過流特性對工程的正常運用與事故控制都有很大的影響。DN600 閥門全開行程為174 mm，該開度下的局部阻力系數為3.68；DN500 閥門全開行程為143 mm，該開度下的局部阻力系數如表2所示。

各級泵站進、出水池的水位如表3 所示。

3 水錘計算的數學模型及計算方法

水錘計算是對整個輸水管道系統進行計算分析，包括管道內結點及與管道連接的水池、閥門及其它過流元件。在水錘計算中，對于管道系統內結點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續方程組成的雙曲型偏微分方程組[1]。為了便于計算機計算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向將它轉化為水錘全微分方程：

(1)

(2)

表2 泵出口閥不同行程開度下的特性參數表

表3 泵站進、出水池水位表

圖2 x-t坐標系中的水錘特征線圖

有限差分方程式的的推導分別是從A、B點沿C+、C-積分到P點，則A點的H由HA變為HP、Q由QA變為QP，B點的H由HB變為HP、Q由QB變為QP，可得近似簡化積分式為:

(3)

(4)

當各點初始狀態時的Q、H值和邊界點的條件方程己知時，就可根據前一時段t0時刻已知的Q、H值，用方程求出后一時段t0+Δt時的Q、H值[2]。對于所有內結點的計算就用以上介紹的方法計算。

4 計算結果

4.1 關于單站事故停泵水錘計算

假定各級泵站的進、出水池截面積足夠大，其水位在過渡過程中的波動忽略不計，以設計凈揚程工況作為控制工況，分別進行停泵水錘防護措施的選擇，并對其他運行工況進行校核[3]。各泵站的單站停泵水錘計算結果分別匯總于表4～6。

表4 1級泵站單站事故停泵水錘計算結果匯總表

表5 2級泵站單站事故停泵水錘計算結果匯總表

表6 3級泵站單站事故停泵水錘計算結果匯總表

4.2 關于全系統事故停泵水錘計算

在給定第1級泵站進水池和第3級泵站出水池水位的條件下，考慮中間水池(第1級泵站出水池和第2級泵站出水池)水位在過渡過程中的變化，進行全系統即3站串聯的事故停泵水錘計算，對前面單站水錘計算擬定的水錘防護措施進行校核，結果表明：

(1) 由于1級泵站和2級泵站的出水池橫截面積較大，其在停泵過渡過程中的水位變化速度很慢，均小于1 mm/s， 因此，在有限的計算時間內，該水位的變化對過渡過程的影響很小[4]，即在工況相同條件下，全系統水錘計算的結果與單站水錘計算的結果區別很小。

(2) 由于3站串聯運行時，1級泵站出水池水位和2級泵站出水池水位與設計水位值存在差異，導致各站管線的最大水錘壓力和單站水錘計算的結果存在一定偏差[5]。在全系統串聯計算條件下，1級泵站管線的最大水錘壓力為83.05 m，2級泵站管線的最大水錘壓力為173.79 m，3級泵站管線最大水錘壓力為138.50 m。

全系統停泵水錘計算的結果匯總于表7。

表7 全系統事故停泵水錘計算結果表

5 結 語

由于空氣閥是通過向管道內補氣來破壞水柱分離現象，其進氣和排氣兩相流過渡過程的影響因素十分復雜，管道中排完空氣時，可能產生水柱再撞擊[6]；現有空氣閥計算模型中的幾點假設，由于試驗研究及理論研究尚不充分，其對于水柱分離的防護及其對水錘的影響尚有待于進一步深入研究；實際工程中，將空氣閥作為主要的彌合水錘防護措施，也不乏失敗的教訓，如九江第三水廠水源泵站及輸水管線、內蒙古達拉特電廠供水管線等。其中，九江第三水廠水源泵站及輸水管線1998年建成時，為防止在管道局部凸起點發生水柱分離及彌合水錘，在凸起點裝設了空氣閥，但在1998—2000 年的實際運行過程中，多次發生因事故停泵水錘而導致管道爆破的事故，隨后，業主在局部凸起點裝設單向調壓塔的水錘防護方案。該方案于2001年實施后，經過一期單機單管、二期雙機單管的實際運行檢驗，由于單向調壓塔的有效防護，該系統的停泵過渡過程十分平穩，再未發生過水錘爆管事故，至今已安全運行13 a；現場原型水錘測試結果不僅表明單向調壓塔可有效防止水柱分離及彌合水錘事故的發生，而且驗證了現有單向調壓塔水錘計算模型的精度完全可以滿足工程需要。

考慮到本系統2級泵站和3級泵站的管線長、凈揚程較高、管線縱剖面存在一定起伏，水柱分離及彌合水錘是威脅管線安全的主要因素[7]，因此，本階段推薦單向調壓塔方案作為2級泵站和3級泵站輸水系統的水錘防護方案。

各泵站水錘防護方案建議如下：① 關于第1級泵站：水泵出口閥10 s/75%～140 s/25%兩階段關閉，在管線中裝設23 處“快進慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)。② 關于第2級泵站：推薦第2級泵站的水錘防護方案如下：泵出口閥10 s/85%～140 s/15%兩階段關閉；在管線中設置1 座單向調壓塔，裝設35 處“快進慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)；③ 關于第3級泵站：泵出口閥10 s/85%～110 s/15% 兩階段關閉；在管線中設置1 座單向調壓塔，裝設28 處“快進慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)，由于本工程位于高寒地區，應注意單向調壓塔在冬季的防凍問題。