高落差重力流輸水管道開關閥水錘模擬分析

李 妍 , 白綿綿, 閆 飛

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設計研究院,西安 710000)

0 前 言

水錘現象是管路系統中因流體流態劇烈改變而引起的急驟壓力交替變換的水力撞擊現象。長距離輸水有重力輸水和水泵加壓兩種方式。重力流方式和水泵供水相比，多應用小規模工程中，應用方式比較傳統，流量和流速的變化比較大，控制方法不合理，多采用傳統粗放式的控制方式，經常發生突發的爆管現象[1]。管線末端富余水頭較大是重力流輸水系統最明顯特點，閥門突然啟閉，管道內壓力急劇升高和降低，引發水錘現象，嚴重時會造成管道或設備強度不夠而破裂、管道塌癟、管道接口位置改變和滲漏等危害[2-4]。為了掌握高落差重力流輸水管道的開關閥水錘規律，許多學者對此做了大量的研究工作。董茹[5]等對帶有支線管路的重力流輸水工程的關閥水錘進行研究，發現主線和干線閥門的合理關閉時間對于水錘防護有著重要作用。周天馳[6]等針對重力流供水系統各個部位的水力學特點，確定在4個水廠前設置超壓泄壓閥及采用120 s的開關閥規律的聯合水錘防護方案。在實際工程中，確定閥門最優關閉時間建立輸水系統最佳工作狀態，能夠明顯減小因關閥操作不當誘發的水錘危害。

本文以青海省玉樹市供水管道配套工程為依托，基于典型的高落差重力流輸水管路系統，深入分析開關閥歷時規律與水錘波傳播和反射之間的關系，提出合理的閥門調節措施，為管路系統運行的水力調度、自動化控制以及設備選型提供決策依據。

1 工程概況

水源為新建的國慶水庫，通過隧洞及重力自流輸水管道送至縣城凈水廠，解決玉樹市17.5萬人口的生活飲用水問題。該工程設計規模為4.5萬m3/d，管道線路總長度9.0 km，公稱壓力為2.5 MPa，采用K9級DN500 mm球墨鑄鐵管；國慶水庫正常蓄水位4 027.10 m，設計洪水位4 028.50 m，死水位4 001.50 m，管線末端地面高程3 778.99 m，凈高差248.11 m；減壓池內設計正常水位3 952.94 m，凈水廠所需總水頭20 m，作為壓力控制點。在管道設計樁號2+258.00 m處布設200 m3減壓池，凈尺寸為7.8 m×7.8 m×3.5 m(長×寬×深)；末端設置鼠籠型活塞式調流調壓閥，利用均勻分布的小孔使水柱對撞破裂而消能，在運行初期或小流量情況下，對末端壓力及流量進行控制，最終實現原水從國慶水庫重力流至凈水廠，并且滿足水廠所需水頭要求。工程的輸水系統布置、管道縱斷面布置及穩態工作水壓線見圖1和圖2。

圖1 輸水系統布置

圖2 管線穩態運行時水力坡降線

2 開關閥水錘模擬分析

本次采用HAMMER V8模擬軟件，基于特征線法對整個輸水系統從一個穩態過渡到另一穩態的瞬間變化進行計算分析，包括管道內節點與管道連接的水池、閥門等其他過流元件。該工程凈水廠前布設有蝶閥+過濾器+調流調壓閥+伸縮接頭+蝶閥，上游蝶閥為檢修蝶閥，中間調流調壓閥是為了調節流量和消減水壓，下游蝶閥為工作閥，便于水廠總進水管運行時正常啟閉。所以在模擬計算分析過程中，開關閥操作對象是下游蝶閥，下游蝶閥動作時，中間調流調壓閥同步動作，即同時開啟或同時關閉。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，正常輸水時的各點測壓管水頭，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[7]。

2.1 關閥水錘計算

根據本工程蝶閥特性及自動化控制設計為線性啟閉，本次分別對蝶閥線性關閉時間150、300、600、900、1 200 s 5種工況進行模擬計算。

末端閥門在150 s內關閉時的水錘模擬結果如圖3所示。從圖中可以看出管道自上游至下游逐漸升壓十分明顯，最大壓力出現在樁號8+840.00 m處，最大水錘壓力299.50 m，是靜水壓的1.74倍，已超過CECS193:2005《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》中1.3～1.5倍最大工作壓力的上限值[8]，此時管線及閥門均需要選擇更高的壓力等級，特別是閥門應采用4.0 MPa。減壓池前端進口最大水錘壓力97.50 m，是靜水壓力的1.19倍；池內最大水深3.32 m，最小水深3.20 m。

圖3 末端閥門在150s內關閉水錘包絡線

末端閥門在300 s內關閉時的水錘模擬結果如圖4所示。從圖中可以看出同樣管道全線升壓過程顯著，樁號8+840.00 m處的最大水錘壓力250.60 m，是靜水壓的1.46倍，已接近于《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》中1.3～1.5倍最大工作壓力的極限值，最小壓力20.10 m；減壓池前端進口最大水錘壓力89.40 m，是靜水壓力的1.09倍，池內最大水深3.35 m，最小水深3.19 m。

末端閥門在600 s內關閉時的水錘模擬結果如圖5所示。從圖中可以看出管道升壓略微明顯，最大水錘壓力184.50 m，是靜水壓的1.07倍，最小壓力18.40 m；閥門完成關閉后在靜壓上下范圍內波動，關閥水錘改善了許多；減壓池前端進口最大水錘壓力85.50 m，是靜水壓力的1.04倍，池內最大水深3.42 m，最小水深3.20 m。

圖5 末端閥門在600 s內關閉水錘包絡線

末端閥門在900 s內關閉時的水錘模擬結果如圖6所示。從圖中可以看出管道升壓平緩，最大水錘壓力176.90 m，是靜水壓的1.03倍，最小壓力19.10 m；減壓池前端進口最大水錘壓力84.40 m，是靜水壓力的1.03倍，池內最大水深3.48 m，最小水深3.23 m。

圖6 末端閥門在900 s內關閉水錘包絡線

末端閥門在1 200 s內關閉時的水錘模擬結果如圖7所示。從圖中可以看出管道升壓更為緩慢，最大水錘壓力175.60 m，是靜水壓的1.02倍，最小壓力19.0 m；減壓池前端進口最大水錘壓力83.70 m，是靜水壓力的1.02倍。減壓池內水深和流量瞬變如圖8所示。由圖8可見，減壓池自380 s開始溢流，直至715 s結束，總溢流量3.30 m3，池內最小水深3.22 m。

圖7 末端閥門在1200 s內關閉水錘包絡線

圖8 減壓池內水深和流量瞬變

末端閥門進口壓力值如圖9所示。閥門關閉時間在150～600 s，閥門進口壓力呈明顯周期性波動，逐漸衰減；當關閉時間達到600 s，各點壓力隨閥門關閉逐漸減少，在閥門完成關閉(或即將完成關閉)后在靜壓上下范圍內波動。通過模擬分析，閥門關閉時間應控制在6 000～1 200 s。如關閉過快，將造成管線末端水錘壓力升高，小于600 s關閉時會出現最大水錘壓力299.50 m，存在爆管風險；超過600 s關閉時水錘壓力小于184.50 m，接近于管道靜水壓，如關閉過慢，將有多余水從減壓池中溢流。關閥工況下，上下游閥門應同時動作；且關閉時間越長，系統最大水錘壓力、閥門進口壓力越小，但減壓池溢流量增大。實際運行中，如果減壓池上游閥門先關，會放空部分管段，造成負壓，不利于管道安全；反之，造成溢流棄水。

圖9 末端閥門進口壓力值

2.2 開閥水錘計算

根據本工程地形高差大，以減壓池為界，上下游兩段管道靜水壓大，尤其是減壓池至凈水廠段管道末端靜水壓為173.95 m，若閥門開啟速度過快，發生開閥過程中輸水系統沿線壓力迅速增大，慣性力不斷沖擊管壁，針對控制工況進行開閥水錘計算，根據結果選定合理的開閥時間。因此采用60、120、300、900 s的開閥時間，計算結果如表1所示。

表1 末端閥門不同開啟時間對應極值

從表1中可以看出，開閥時間對應的節點最大壓力值為靜壓值，即壓力在靜壓值左右波動；減壓池最大水深隨開閥時間增長逐漸變小，但數值差距較小，開閥引起的水力過渡過程并不激烈，最大壓力稍高于靜壓，建議閥門開啟時間不低于60 s；同時，如果減壓池內無水，應先開啟上游閥門，當減壓池內水位達到設計水位后，再開啟下游閥門；如果減壓池內水位已是設計水位，且管線充滿水，可同時開啟上下游閥門。

末端閥門采用電控蝶閥，在不同工況下均能自動按照預定時間啟閉；水廠進水口處采用活塞式控制閥進行流量調節和消減富余水頭，并與水庫水位相關聯建立輸水系統閥門操作管理手冊，保證沿線水量水壓在合理范圍內。

3 結 論

本文在不同開關閥規律下，進行了輸水系統的水錘壓力模擬計算，反映出閥前壓力、減壓池水深與閥調節規律之間的關系，并尋找管道內部的最大水錘壓力，作為控制目標，得出結論如下：

(1) 閥門關閉時間越長，最大水錘壓力越小，其降幅也越來越小；開閥最大水錘壓力略高靜水壓；可降低所選管道及閥門的壓力等級。

(2) 末端閥門最優關閉時間在600～1 200 s，且上下游同時關閉；超過1 200 s，減壓池出現溢流。

(3) 末端閥門開啟時間大于60 s，實時監測減壓池水位確定上下游開閥順序。

(4) 對本重力流系統來說，保證閥門啟閉時間合理，就可將升降壓值控制在要求范圍內，無需其他防護設施。