閥門關閉速度對水錘效應的影響分析

程學遠，武明皓

（中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

1 前言

長距離供熱輸送對于大氣污染防治和助力碳達峰與碳中和具有重要意義。國內的太原、銀川、石家莊等地已經實施了長距離供熱。長距離供熱管網的運行中，由于高低起伏的地形、不同地區變化多端的天氣變化要求的閥門和泵的開啟和閉合等，會導致運行時出現一些安全性問題，其中水錘沖擊是最重要的現象。水錘一旦產生，在管道中快速傳播壓力波，速度非常大，從而發生振蕩現象。長距離輸送高溫水的供熱管網特別容易發生水錘問題，嚴重時水錘事故將造成超強的破壞能力，極有可能發生工程事故和人員傷亡。

文獻[3]發現出口閥門的關閉規律對末端水錘的影響很大，由于受閥門自身限制，出口閥門按最優關閉規律關閉時仍會產生較大末端水錘，需要使用其他防護措施消除或降低末端水錘。文獻[4]認為實際工程中，閥門關閉的時間既不能過短，又不能過長，最佳的關閥時間應通過計算確定。文獻[5]以山西省某熱電聯產系統長輸管道為例，也進行了類似的研究。

綜上所述，閥門開啟對于長輸供熱管道的水錘現象影響很大。因此本文以某實際工程為例，通過數值模擬，研究閥門開啟對水錘的影響。

2 計算對象

本文以寧夏華電靈武公司向銀川市供熱熱網項目一期工程熱網為對象，其中熱力網的主干線約67.9km，支干線及支線約48.1km。設有2個中繼泵站，其中1#中繼泵站為供、回水加壓泵站，3#中繼泵站為隔壓站。供熱管網的主干線設計直徑為DN1400，管內輸送熱水，壓力為1.6MPa。循環水流量為15433.5t/h，管內流速為2.85m/s。在輸送干線上有一個輸送干線閥門，利用ANSYS的design model建立模型。流體的模型選擇k-omega雙方程湍流模型。

本文模擬3種閥門關閉速度，閥門關閉的速度設置分別為 180 deg/s、90deg/s和45deg/s。

3 結果分析

不同閥門關閉轉速下，處于上游的閥門前面的監視面平均壓力值隨時間變化如圖1至圖3所示。

由圖1至圖3可知，隨著閥門的關閉，閥門前的面平均壓力值出現壓力值的急速變化，短時間內壓力值呈正負浮動，并且曲線呈周期性波動。同時對于這3種情況，管內壓力均超過了1.6MPa的額定設計值。說明閥門前的面平均壓力值超壓。

圖1 閥門前的面平均壓力值的變化（轉速180deg/s）

圖2 閥門前的面平均壓力值的變化（轉速90deg/s

圖3 閥門前的面平均壓力值的變化（轉速45deg/s）

由圖3可知，閥門關閉轉速較低時，壓力周期性變化的頻率降低，并且出現最高壓力的次數也有所降低。

不同閥門關閉轉速下，處于下游的閥門前面的監視面平均壓力值隨時間變化如圖4至圖6所示。

圖4 閥門后的面平均壓力值的變化（轉速180deg/s）

圖5 閥門后的面平均壓力值的變化（轉速90deg/s）

圖6 閥門后的面平均壓力值的變化（轉速45deg/s）

由圖4至圖6可知，隨著閥門的關閉，閥門后的面平均壓力值也出現壓力值的急速變化，在短時間內壓力值同樣呈正負浮動，并且曲線呈周期性波動。但是壓力值均為正值。個別時間壓力趨于0。說明此時流體容易汽化。

對比圖4至圖6，在閥門轉速較低的情況下，壓力波動的頻率降低，并且出現壓力低值的情況也在減少。這說明閥門關閉轉速較低時，管內流體出現汽化的可能性降低。而閥門關閉轉速較高時，管內流體出現汽化的可能性增加。

如圖7所示。對于閥門關閉速度為180deg/s時，速度云圖也表明在閥門附近，流體運動軌跡有很明顯的小范圍來回振蕩撞擊現象，這就是由于流體速度的突然變化導致其壓力也突變從而發生水力振蕩沖擊的水錘效應。

圖7 閥門關閉速度為180deg/s時的內部流動軌跡圖

4 結語

在長距離供熱管道輸送工程中，閥門的開啟和閉合會引起水錘沖擊等問題。本文以寧夏華電靈武公司向銀川市供熱熱網項目一期工程熱網為對象，研究不同閥門關閉速度對水錘效應的影響分析。得到以下結論。（1）不同閥門關閉速度下，閥門前后的壓力變化均不相同。對于輸送干線閥門，無論閥門關閉時間多長，均會導致閥前超壓、閥后汽化。（2）適當降低閥門開關速度，對水錘沖擊效應有一定的減緩作用。因此在工程實際中，可考慮采用液控蝶閥等緩閉止回閥，通過對閥門閉合的速度減緩，從而達到水錘防護的目的。