長距離重力流供水管線末端閥門關閉的過渡過程分析

卜新魁

摘 要：隨著社會的發展，長距離供水工程越來越多，人們對長距離供水的過渡過程計算也愈加重視。重力流輸水管道因無水泵加壓，故無停泵水錘危害。但是，其管線末端閥門關閉過快也會導致輸水系統出現很高的水錘壓力，在有多重起伏管線的高點容易產生斷流，造成彌合水錘，嚴重影響管線及閥門等設備的安全。本文結合工程實例，對長距離重力流供水管線末端閥門關閉的過渡過程進行分析，并提出相應的防護措施。

關鍵詞：長距離重力流供水;水擊泄放閥;水力過渡過程

中圖分類號：TV134.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0067-03

Analysis of Transition Process of Closing Valve at End of

Long Distance Gravity Flow Water Supply Line

PU Xinkui

（Jilin Province Water Resource and Hydropower Consultative Company，Changchun Jilin 100012）

Abstract： With the development of society， more and more long-distance water supply projects， people pay more attention to the calculation of long-distance water supply transition process. Because there is no pump pressurization in gravity flow pipeline， there is no water hammer hazard of pump stop. However， if the valve at the end of the pipeline is closed too fast， the water hammer pressure in the water delivery system will be very high， and the high point of the pipeline with multiple ups and downs is easy to produce flow interruption， resulting in the closure of water hammer， seriously affecting the safety of pipelines and valves and other equipment. This paper analyzed the transition process of closing the valve at the end of the long distance gravity flow water supply line and put forward the corresponding protection measures.

Keywords： long distance gravity flow water supply;water hammer relief valve;hydraulic transition process

1 工程概述

吉林省某供水工程，從某水庫引水，通過重力流向兩座城市供水，水庫正常蓄水位402.5 m，死水位371.0 m。供水干線長29.7 km，管徑為DN1600;城市1支線長20.1 km，管徑為DN1200，輸水流量1.65 m3/s;城市2支線長7.5 km，管徑為DN800，輸水流量0.26 m3/s。沿線設置多處防水錘空氣閥。主干線及支線管路縱斷如圖1至圖3所示。

2 過渡過程比較

2.1 穩態過程

首端水庫水位為正常高402.5 m，通過調節城市1支線及城市2支線末端調節閥的開度，保證城市1支線輸水流量為1.65 m3/s，城市2支線輸水流量為0.26 m3/s。水庫至城市1支線末端壓力線如圖4所示。

2.2 城市1支線末端不設置水擊泄放閥，閥門正常關閉過程輸水系統水力過渡過程分析

當城市1支線末端調節閥門500 s全線關閉時，水庫至城市1支線末端水擊包絡線見圖5。

當閥門關閉后管線各點壓力為該點高程與首端水庫水位的幾何落差，即各點的靜水頭，此值小于管線正常輸水時的各點測壓管水頭[1]，即各點的動水頭。閥門關閉后，輸水系統經歷由動水頭到靜水頭的過渡過程，此過程會產生很大水錘壓力，閥門關閉越快水錘壓力越高。

由圖5水擊包絡線可知，即使閥門全線關閉時選擇的很長（500 s），其關閉所引起整個輸水系統的水錘壓力升高值仍然很高，管線最危險的位置為所關閉的閥門前側，其壓力變化值見表1。長輸水管線設計規程規定，水錘防護措施應保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力[2]。由表1可知，管線末端閥前水錘壓力最大值與最大工作壓力可通過壓力水頭值判斷，最大壓力水頭、最小壓力水頭的比值可近似看作水錘壓力最大值與最大工作壓力關系。由此可以看出，此時末端閥前工最大壓力水頭比為255.31∶91.2，近似為2.8，此狀態是不滿足規程要求的，且此時管線及閥門均需要選擇更高的壓力等級，增加工程投資。所以本工程應該采用合適的水錘防護措施。

2.3 城市1支線末端設置水擊泄放閥，閥門正常關閉時輸水系統水力過渡過程計算分析

水擊泄放閥采用水力控制原理，當輸水系統出現超過已設定壓力的水錘壓力時，閥門迅速開啟泄放壓力，防止壓力進一步升高，有效保護輸水系統。當系統壓力恢復到一定值時，閥門自動緩慢關閉。城市1支線末端設置DN200水擊泄放閥，閥前壓力水頭達到95 m時閥門自動打開，把輸水系統較高的水壓釋放掉，壓力水頭恢復到80 m時閥門自動關閉。

城市1支線末端閥門280 s全線關閉，此時水庫至城市1支線末端水擊包絡線見圖6。與圖5相比較，即使在閥門關閉更快的情況下，設置水擊泄放閥的管線最高壓力升高值以比不設置時小了很多。城市1支線末端閥門前側的壓力變化值見表2，水錘壓力最大值為該點最大工作壓力的1.28倍，滿足長輸水管線設計規程的要求，且此時管線及閥門均可以選擇較小的壓力等級，節省工程投資。

通常在設計中建議設置兩臺水擊泄放閥，兩臺閥門同時動作壓力升高值會更低，如果一臺閥門發生故障拒動，另一臺正常開啟仍能保證工程的安全[3-4]。

3 結語

長距離重力流供水管線末端閥門關閉時會導致沿線很高的水錘壓力，嚴重時會產生爆管，嚴重威脅閥門及管線的安全。在管線末端設置水擊泄放閥可以有效減小末端閥門關閉所引起的較高的水錘壓力，也可減小所選管線及閥門的壓力等級，節省工程投資。水擊泄放閥最大泄流能力必須大于過渡過程計算所需要的最大泄流能力，泄流能力可以適度地留有余量，但不需要過大。其口徑的選擇須對輸水系統進行過渡過程計算后確定。另外，閥門開啟及關閉壓力值的設定及閥門關閉時間對系統過渡過程影響很大，設定值應在計算過程中引起重視。

參考文獻：

[1]油氣田及管道建設設計專業標準化委員會.輸氣管道工程設計規范：GB 50251—2003[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]郭偉奇，吳建華，李娜，等.長距離重力流輸水系統水錘防護措施研究[J].中國農村水利水電，2018（11）：124-126，130.

[3]諸葛妃，張健.長距離輸水設置超壓泄壓閥水力過渡過程分析[J].水利水電技術，2010（12）：35-37.

[4]董盛文，李強，王浩，等.長距離重力輸水管道中的水錘及其防護研究[J].中國水運（下半月），2018（10）：201-202.