重力流輸水管道關閥水錘仿真計算與防護

王 煒（太原市水利技術推廣服務站）

1 工程概況

保德縣引黃灌溉工程位于山西省保德縣黃河左岸，從天橋水電廠水利樞紐左壩段取水。天橋電站水利樞紐位于黃河中游，距保德縣城8 km，左岸為山西省保德縣，右岸為陜西省府谷縣。天橋水利樞紐由攔河壩、河床式電站、泄流底孔、表孔、排沙洞、下游消能設施、開關站等組成，水庫總庫容0.70億m3，電站總裝機容量為29.80 萬kW（除險加固后），工程為Ⅲ等工程，工程規模為中型。引黃灌溉工程取水口為樞紐的主要建筑物，建筑物級別同電站廠房和泄水建筑物，為3 級建筑物。引黃灌溉工程從天橋水利樞紐左岸壩段取水，到花園止，由引水線路、提水泵站以及灌區配套工程三部分組成。引水線路全長20.66 km，主要沿黃河左岸布設，其中隧洞0.80 km（洞內布設管線），管材為壓力鋼管。花園提水灌溉一、二級泵站均建設在沿黃左岸，泵站站址一級泵站建在黃河河漫灘上。

2 重力流輸水管道關閥水錘仿真計算

2.1 引水管線重力流水錘計算工況及參數確定

自流部分由于沿管線流量一直變化，考慮到計算機仿真計算及未來系統運行的水力調度及自動化控制，供水管道水錘計算參數工況詳見表1。

表1 供水管道水錘計算工況及參數表

2.2 流量Q1=0.34 m3/s，引水閥關閉水錘仿真計算

重力流當流量Q1=0.34 m3/s 時引水閥關閉水錘計算機仿真計算成果見表2。

表2 重力流流量Q1=0.34 m3/s的引水閥關閉水錘計算機仿真計算成果表

以上計算結果，重力流當流量Q1=0.34 m3/s 時，關閥指數為1 的各個工況條件下計算出的最大壓力均未超過穩態工況壓力的1.50 倍（13.05 m），偏于安全，關閥指數為1.50 時，關閥時間為150 s時最大壓力略大于穩態壓力的1.50倍，關閥時間為180 s、200 s、250 s時均未超過。現列出設計流量Q1=0.34 m3/s，摩租為0.19×10-1、關閥指數為1、關閥時間為250 s 時的各參數關系見圖1～3。

圖1 各時刻閥前斷面流量圖

圖2 各時刻閥前斷面壓力圖

圖3 最大、最小壓力包絡線圖

2.3 流量Q2=0.75 m3/s，引水閥關閉水錘仿真計算

重力流流量Q2=0.75 m3/s時引水閥關閉水錘計算機仿真計算成果見表3。

以上計算結果，重力流當流量Q2=0.75 m3/s 時，各個工況條件下計算出的最大壓力均未超過穩態工況壓力的1.50 倍（13.05 m），但最小壓力偏小，管路中存在負壓。現列出最大流量Q2=0.75 m3/s 時，摩阻為0.19×10-1、關閥指數為1、關閥時間為330 s時的各參數關系見圖4～6。

圖4 各時刻閥前斷面流量圖

圖5 各時刻閥前斷面壓力圖

圖6 最大、最小壓力包絡線圖

2.4 仿真計算結果

當重力流當流量Q1=0.34 m3/s，摩阻系數為0.19×10-1時，關閥指數為1 的各個工況條件下計算出的最大壓力均未超過穩態工況壓力的1.50倍，偏于安全，關閥指數為1.50時，關閥時間為150 s時最大壓力略大于穩態壓力的1.50倍，關閥時間為180s、200 s、250 s時均未超過。建議在Q1=0.34 m3/s下，摩阻系數取0.19×10-1、關閥指數取1、關閥時間取250 s左右即可滿足要求。

表3 流量Q2=0.75 m3/s引水閥關閉水錘計算機仿真計算成果表

當重力流當流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系數為0.19×10-1時，各個工況條件下計算出的最大壓力均未超過穩態工況壓力的1.50倍，但最小壓力偏小，管路中存在負壓，不滿足計算要求。

3 重力流輸水管道關閥水錘防護

3.1 關閥水錘防護方案

依據設計方案，利用進排氣閥進行系統的安全防護。考慮到本工程的實際情況，按照規范要求，建議在重力流當流量Q2=0.75 m3/s管線中加10個型號為DN100進排氣閥，具體位置編號見表4。

表4 第三段進排氣閥成果表

添加進排氣閥后的最小壓力值在各個計算工況條件下均可滿足要求。因此建議在系統最不利工作環境下，即：重力流當流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系數取0.19×10-1、關閥指數取1，引水閥的關閥時間取330 s左右即可滿足要求。

3.2 泵站管道水力過渡過程仿真計算

在泵出口閥門拒動作（閥門不關閉）工況、泵出口蝶閥優化關閉工況、泵出口蝶閥加排氣閥聯合防護工況四種工況下對管道水錘壓力進行分析計算，由于工程設計中根據管道壓力分別布置了不同壓力等級的管道，對各管段內可能出現的最大壓力進行復核計算，計算機仿真計算結果見表5。

結果表明，泵站工程壓力管線設計中采用了一定數量的進排氣閥，在很大程度上可以對壓力管路的安全起到防護作用，模擬計算說明由于進排氣閥的進氣和排氣作用，整個供水泵站工程在允許的壓力范圍內可以安全運行。花園一級泵站在樁號為0+452.0、0+791.0、1+130.0、1+695.0、2+034.0位置裝設5個口徑為150mm的進排氣閥后，管路壓力符合安全規定，泵站可以安全運行。花園二級泵站在樁號為3+487.07、4+305.14、5+123.2位置裝設3個口徑為150 mm的進排氣閥后，管路中負壓仍然偏大，為保證供水系統安全運行，建議花園二級站機組的轉動慣量至少應保證2.50 kg/m2，經模擬計算在此轉動慣量下管路的負壓可以降至-6.10 m，另外在管路起伏較大點再裝一個口徑為100 mm進排氣閥。

但當事故停泵閥門發生拒動作時，花園一級和二級泵站所有機組將發生高速倒轉，會對機組造成嚴重損害。機組從失電停泵到機組開始倒轉時間難以及時手動關閉蝶閥。為此，設計單位提出了采用蝶閥的技術方案，蝶閥在優化關閉程序后可以有效防止供水機組的倒轉現象，使水泵的倒泄流量減小，在一定程度上可以減小供水系統的水錘壓力，從系統安全運行、水錘防護的設備制造及模擬計算的結果綜合考量，說明供水系統選用蝶閥防護的方案是可行的、合理的。

表5 泵站過渡過程最大壓力計算結果表（4臺同型號泵并聯、5個進排氣閥）

計算機仿真計算提出了保德縣引黃灌溉工程泵站工程重力流輸水管道壓力管線設計中應采用的排氣閥的建議數量和安裝位置，但必須和與之配套的蝶閥聯合防護，才能有效的消除系統運行中的水錘現象，因此排氣閥及蝶閥的設備選型是非常重要的。

需要說明的是，蝶閥的技術方案在有效保護機組的同時也造成了壓力管路局部的壓力升高。另外在模擬計算壓力管路系統的輸水中，由于花園一級和二級泵站工程的機組轉動慣量較以往使用的機組轉動慣量小10倍之多，水錘負壓力較大，因此必須研究加強水柱分離的防護措施。

4 結論

綜上所述，文章在不同流量、不同摩阻系數及引水閥不同關閥規律條件下，根據保德縣引黃灌溉工程重力流供水工程水錘計算的有關技術要求，進行了各區段的水錘壓力計算機仿真計算。在工程9+800～19+440 段重力流的相關技術資料已經提出的基礎上，通過計算機仿真計算提供重力流壓力分布狀況，即最大水錘壓力上升值、最低壓力值，提供水錘壓力的包絡線，最大、最小壓力及對應的時間過程，在校核該供水工程的設計方案的合理性的基礎上，提出不同流量、不同摩阻系數及引水閥不同關閥規律條件下重力流供水的運行模式，為該工程全線自動化的控制提供技術支持。