長(zhǎng)距離加壓和有壓重力輸水管道水錘防護(hù)分析比較

馬志敏，喬俊蕾，付永飛

(1.安陽(yáng)市水利局，河南 安陽(yáng) 455000；2.河南省豫北水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 安陽(yáng) 455000)

近年來(lái)，隨著南水北調(diào)工程的建成運(yùn)行，相應(yīng)的引調(diào)水配套工程相繼建成，工程對(duì)輸水保證率要求高，所以輸水系統(tǒng)的運(yùn)行安全十分重要。水錘是危害輸水系統(tǒng)安全的一個(gè)重要因素，因此，水錘防護(hù)尤為重要。但人們對(duì)水錘的物理性質(zhì)和微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究還不全面，在實(shí)際工程中，往往由于對(duì)水錘問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不足而盲目地提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或由于對(duì)水錘防護(hù)措施考慮不周而引起運(yùn)行事故。因此，為減少有壓輸水系統(tǒng)水錘壓力過(guò)高或過(guò)低而對(duì)工程產(chǎn)生危害，必須以合理設(shè)置水錘防護(hù)措施為前提。長(zhǎng)距離壓力輸水管道分為加壓和有壓重力輸水2種方式，兩者壓力產(chǎn)生原因和運(yùn)行原理不同，水錘產(chǎn)生的機(jī)理及水錘防護(hù)也不同，對(duì)其分別進(jìn)行水錘防護(hù)分析非常必要[1- 4]。

1 工程概況

1.1 長(zhǎng)距離加壓輸水

安陽(yáng)市某調(diào)水工程通過(guò)新建壓力輸水管道、梯級(jí)泵站將南水北調(diào)水輸送到安陽(yáng)市西部A水廠和B水廠。工程設(shè)計(jì)年調(diào)水量7 000萬(wàn)m3，其中，A水廠3 000萬(wàn)m3，B水廠4 000萬(wàn)m3。工程沿線地形主要為平原、淺山丘陵區(qū)和山前平原，總體地勢(shì)西高東低，中部山地突出、地形起伏較大。根據(jù)沿線地形特點(diǎn)，本工程以地埋壓力管道輸水為主，局部采用隧洞內(nèi)無(wú)壓自流。輸水工程管線全長(zhǎng)49.6 km，設(shè)置3座梯級(jí)加壓泵站，開(kāi)挖隧洞13.1 km。供水系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)距離加壓供水系統(tǒng)組成示意

取水口設(shè)計(jì)水位91.44 m，A、B水廠前池設(shè)計(jì)水位分別為150.4、369 m。沿線設(shè)計(jì)管線參數(shù)和水泵選型參數(shù)分別見(jiàn)表1、2。

表1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 各級(jí)泵站設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 長(zhǎng)距離有壓重力輸水

安陽(yáng)市某引水工程自水庫(kù)引水至C水廠和D水廠，設(shè)計(jì)總規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)流量2.55 m3/s，年引水量7 300萬(wàn)m3。如圖2所示，引水管道總長(zhǎng)35.7 km，其中引水主管線長(zhǎng)21.76 km，采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管；C水廠支管線長(zhǎng)2.54 km，為現(xiàn)狀管道，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管；D水廠管線長(zhǎng)11.4 km，采用K9級(jí)球墨鑄鐵管。兩水廠設(shè)計(jì)引水規(guī)模均為10萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)引水流量均為1.27 m3/s。

水庫(kù)正常蓄水位147.2 m，死水位123.8 m，根據(jù)多年平均水位分析，管道進(jìn)口設(shè)計(jì)引水水位為127.7 m，最低引水水位為123.8 m(死水位)，設(shè)計(jì)最高引水水位為158.06 m(正常蓄水位)。管道引水至C水廠和D水廠水處理池，C水廠處理池水位為81 m，D水廠水處理池水位為72 m。管道出口壓力高于蓄水池水位2 m。

閥門設(shè)置：①C水廠現(xiàn)狀引水管道工作壓力0.4 MPa，接入處管道工作壓力0.23 MPa。新建管道分水口處，設(shè)計(jì)流量狀態(tài)下，各水位時(shí)工作壓力為0.41～0.71 MPa，最大靜水壓力為0.85 MPa。接入處新建管道的運(yùn)行壓力大于現(xiàn)狀管道的運(yùn)行壓力，需進(jìn)行減壓。同時(shí)，為進(jìn)行流量控制和保證滿足現(xiàn)狀管道的運(yùn)行要求，C水廠支線進(jìn)口處需設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，閥門下游壓力為0.13～0.2 MPa(保證C水廠地面以上水壓6 m)。②為進(jìn)行流量控制，D水廠末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥。③為保證調(diào)流調(diào)壓閥閥前壓力穩(wěn)定，在分水口上游主管線上設(shè)置DN1400減壓穩(wěn)壓閥，要求下游控制壓力>0.25 MPa，同時(shí)應(yīng)結(jié)合D水廠分水口所需壓力確定控制壓力。

圖2 長(zhǎng)距離有壓重力輸水系統(tǒng)

2 計(jì)算原理

水錘是壓力管道由于某些外界原因(如閥門突然關(guān)閉，水泵機(jī)組突然停車等)使水的流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強(qiáng)突然升高或降低的交替變化現(xiàn)象。長(zhǎng)距離加壓輸水和有壓重力輸水系統(tǒng)工作原理不同，水錘壓力產(chǎn)生的控制工況也不相同。長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)以泵站機(jī)組突然停車為控制工況，有壓重力輸水系統(tǒng)以閥門的啟閉為控制工況。將管道材料及水體當(dāng)作彈性體考慮，水錘計(jì)算公式[5-7]為

(1)

式中，H為壓力水頭；V為管道中的流速，向下游為正；a為水錘波傳播速度；f為水流摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑；x為距離，其正方向與流速為一致；t為時(shí)間。

水錘的連鎖方程為

(2)

(3)

初始條件。當(dāng)管道中水流由恒定流變?yōu)榉呛愣鲿r(shí)，恒定流的終了時(shí)刻為非恒定流的開(kāi)始時(shí)刻。即當(dāng)t=0時(shí)，管道中任何斷面的流速V=V0；如不計(jì)水頭損失，水頭H=H0。

邊界條件。①管道進(jìn)口。對(duì)以上2個(gè)工程，管道進(jìn)口為壓力前池和水庫(kù)，前池水位和水庫(kù)水位變化速度與管道中水錘計(jì)算時(shí)間相比，變化比較緩慢，因此管道進(jìn)口邊界條件為Hp=H0。②分叉口。水頭相同，即Hp1=Hp2=Hp3=…=Hp，流量連續(xù)，即ΣQ=0。③調(diào)壓井。把調(diào)壓井作為斷面較大的分叉口，其邊界條件為調(diào)壓室內(nèi)有自由水面，而隧洞、調(diào)壓井與壓力管道的交點(diǎn)和分叉口相同。

3 模型建立

對(duì)長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)和有壓重力輸水系統(tǒng)分別采用Fortran程序和水錘分析軟件Kypipe2000進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。Fortran程序以瞬變流為基礎(chǔ)，以特征線法為求解方法；Kypipe2000以彈性水柱理論的2個(gè)基本方程為基礎(chǔ)，采用拉格朗日波特性法進(jìn)行數(shù)值求解。

4 水錘防護(hù)分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

4.1.1 長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)

根據(jù)工程運(yùn)行和布置特點(diǎn)，3個(gè)泵站首尾相連，為保證整個(gè)系統(tǒng)的水流連貫性，對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程分析。同時(shí)，各泵站間管道連接處均為進(jìn)/出水池，停泵水錘壓力互不影響，因此，控制工況為1號(hào)～3號(hào)泵站同時(shí)抽水?dāng)嚯姟?/p>

分析工程運(yùn)行的3種工況，分別是設(shè)計(jì)流量工況、按年供水量計(jì)算的流量工況和40%設(shè)計(jì)流量工況。3種工況下系統(tǒng)無(wú)水錘防護(hù)措施保護(hù)時(shí)，水泵機(jī)組同時(shí)抽水?dāng)嚯娺^(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果顯示，水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)，正壓滿足要求，但管道不同部位存在不同程度的嚴(yán)重負(fù)壓，需要采取水錘防護(hù)措施。各工況無(wú)水錘防護(hù)時(shí)的壓力計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，工況1時(shí)負(fù)壓值最大，因此，按照工況1進(jìn)行水錘防護(hù)方案設(shè)計(jì)。

加壓輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施主要有單向穩(wěn)壓塔、雙向穩(wěn)壓塔、空氣罐以及空氣閥等，同時(shí)，為防止停泵時(shí)水泵倒轉(zhuǎn)危害水泵機(jī)組安全，泵后控制閥門關(guān)閉時(shí)間也進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。由于輸水沿線交通不便，考慮運(yùn)行安全及管理方便，本工程推薦采用“空氣罐+空氣閥”組合防護(hù)方案，本文不再敘述單向、雙向穩(wěn)壓塔防護(hù)方案計(jì)算結(jié)果。

表3 各工況無(wú)水錘防護(hù)時(shí)壓力計(jì)算

表4 空氣罐設(shè)計(jì)參數(shù)

在1號(hào)泵站后設(shè)置空氣罐，泵后管段上增設(shè)空氣閥，均連接雙管；在2號(hào)、3號(hào)泵站水泵出口處設(shè)置空氣罐，泵后管段上增設(shè)空氣閥，均連接單管輸水管道，泵后控制閥從0 s開(kāi)始以1/8 s一段速率直線關(guān)閉。各泵站段防護(hù)措施(空氣罐和空氣閥)布置見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 1號(hào)泵站空氣罐和空氣閥布置示意

圖4 2號(hào)泵站空氣罐和空氣閥布置示意

圖5 3號(hào)泵站空氣罐和空氣閥布置示意

空氣罐設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示，空氣閥布置設(shè)計(jì)如表5所示，空氣閥直徑0.12 m。采用“空氣罐+空氣閥”組合防護(hù)方案后，各泵段水壓計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，各管段水壓力包絡(luò)線如圖6～9所示。

表5 空氣閥設(shè)置

隨著水錘防護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了三孔空氣閥(由吸氣孔口，微量排氣孔口，高速排氣孔口組成)、零流速自動(dòng)追蹤止回閥(在零流速時(shí)刻點(diǎn)，關(guān)閉到底)等產(chǎn)品。理論計(jì)算上，這些產(chǎn)品與空氣罐組合，同樣能起到水錘防護(hù)的作用。

表6 各段壓力統(tǒng)計(jì)

圖6 1號(hào)泵站～2號(hào)泵站管段壓力包絡(luò)線

圖7 2號(hào)泵站～3號(hào)泵站管段壓力包絡(luò)線

圖8 3號(hào)泵站～B水廠管段壓力包絡(luò)線

圖9 分水口～A水廠管段壓力包絡(luò)線

圖10為壓力罐、三孔空氣閥和零流速自動(dòng)追蹤止回閥組合防水錘方案的計(jì)算結(jié)果。由圖10可知，1號(hào)泵站最低壓力為-3.3 m，位于樁號(hào)11+800，最高壓力為108.6 m，位于樁號(hào)0+600；2號(hào)泵站最低壓力為-1.3 m，位于樁號(hào)17+400，最高壓力為135.7 m，位于止回閥出口處；3號(hào)泵站最低壓力為-2.5 m，位于樁號(hào)48+100，最高壓力為186.6 m，位于止回閥出口。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大、最小壓力均滿足水錘控制目標(biāo)要求。

圖10 1號(hào)泵站～B水廠管段壓力包絡(luò)線(空氣罐+三孔空氣閥+零流速自動(dòng)追蹤止回閥)

4.1.2 長(zhǎng)距離有壓重力輸水系統(tǒng)

根據(jù)工程管道布置及水庫(kù)水位、管道出口水位，結(jié)合管材承壓能力，本次水錘分析控制目標(biāo)：①最低負(fù)壓≥-2 m；②分叉口至C水廠管線最高壓力不超過(guò)20 m；③新建管道最高升壓水錘不應(yīng)大于工作壓力的1.3～1.5倍。

根據(jù)閥門特性，設(shè)置C、D水廠支線調(diào)流調(diào)壓閥和主管道末端減壓穩(wěn)壓閥全程關(guān)閉總歷時(shí)600 s，70%開(kāi)度開(kāi)始關(guān)閥，420 s完全關(guān)閉。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11～12。由圖11、12可知，全線沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓，最高壓力100.1 m，出現(xiàn)在樁號(hào)21+577。

圖11 水庫(kù)～C水廠管段壓力包絡(luò)線

圖12 水庫(kù)～D水廠管段壓力包絡(luò)線

因C水廠支線管道承壓能力較小，為保證其安全性，需分析D水廠支線水錘壓力對(duì)其的影響，即進(jìn)行D水廠關(guān)閉末端調(diào)流調(diào)壓閥，C水廠支線正常運(yùn)行時(shí)的水力過(guò)渡過(guò)程分析。閥門關(guān)閉規(guī)律同上，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 水庫(kù)～C水廠管段壓力包絡(luò)線(D水廠支線關(guān)閉閥門)

D水廠調(diào)流調(diào)壓閥在600s內(nèi)線性關(guān)閥時(shí)，分叉口至D水廠管線最高壓力17.9 m，出現(xiàn)在樁號(hào)C0+450處。升壓水錘和降壓水錘均符合水錘控制目標(biāo)，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)停泵水錘由降壓波開(kāi)始往下游傳播，在水池處異號(hào)反射成升壓波，在止回閥閥瓣處再反射成升壓(2倍ΔH)從而成為具有破壞性特征的高壓波，它是降壓波的反射波，降壓波是起因，降壓波及其可能導(dǎo)致的負(fù)壓水錘破壞性更嚴(yán)重。因此，長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)產(chǎn)生的最大正壓多發(fā)生在水泵出口處，而負(fù)壓多發(fā)生在管線連續(xù)爬坡處。長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)水流流動(dòng)的動(dòng)力由外界加壓產(chǎn)生，動(dòng)力的起始、終止為該系統(tǒng)水錘產(chǎn)生的控制工況。

(2)長(zhǎng)距離有壓重力輸水系統(tǒng)水流動(dòng)力由自重產(chǎn)生，常見(jiàn)水錘產(chǎn)生工況為閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉。該系統(tǒng)水錘防護(hù)主要為在各種工況下保持水流的平穩(wěn)流態(tài)。水錘防護(hù)措施主要為調(diào)流調(diào)壓閥、空氣閥、水擊泄放閥等[8-10]。

4.3 防護(hù)措施

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離加壓和有壓重力2種輸水系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)相應(yīng)輸水系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，提出對(duì)水錘的防護(hù)方案。

4.3.1 長(zhǎng)距離加壓輸水系統(tǒng)

(1)在泵后設(shè)置止回閥以保證水泵機(jī)組安全。

(2)降壓水錘措施。在泵站后或連續(xù)爬坡的處設(shè)置空氣罐、單向穩(wěn)壓塔、雙向穩(wěn)壓塔等，在沿線設(shè)置空氣閥等。

(3)正壓水錘措施。在末端設(shè)置水擊泄放閥。管道較大時(shí)，大閥反應(yīng)慢，泄放閥宜一分為二或三，多閥互為備用。

4.3.2 長(zhǎng)距離有壓重力輸水系統(tǒng)

(1)主動(dòng)防護(hù)。在輸水系統(tǒng)的末端安裝合適的調(diào)流調(diào)壓閥，上游控制閥門開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，首先開(kāi)啟或關(guān)閉末端的調(diào)流調(diào)壓閥，使水流關(guān)閥時(shí)流量勻速減小，開(kāi)閥時(shí)流量勻速增大，即讓系統(tǒng)流量呈線性變化，這樣可以大大減小水錘發(fā)生的可能或者水錘壓力。調(diào)流調(diào)壓閥的位置越靠近末端越好，即下調(diào)節(jié)較上調(diào)節(jié)好；調(diào)流調(diào)壓閥開(kāi)度應(yīng)處于40%～80%區(qū)間，流量跨度較大時(shí)宜雙閥并聯(lián)。

(2)被動(dòng)防護(hù)。末端升壓控制中途沿線升壓高度。為防止突發(fā)情況，可在末端設(shè)置水擊泄放閥，末端泄水越多，中途升壓越小，末端升壓被削減之后，反射的降壓波低谷也被抬升了，沿線的負(fù)壓及其可能的彌合水錘風(fēng)險(xiǎn)也大幅降低，沿線排氣閥也成為二級(jí)備用防護(hù)措施。

5 結(jié) 論

水錘的防護(hù)問(wèn)題經(jīng)常給輸水工程的建設(shè)帶來(lái)困擾，不同的輸水系統(tǒng)往往需要按照其特點(diǎn)制定水錘的防護(hù)措施。本文對(duì)某輸水工程采用長(zhǎng)距離加壓和有壓重力輸水2種輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，由管道各段壓計(jì)算結(jié)果可得到相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)位置，提出了針對(duì)2種輸水系統(tǒng)的防護(hù)措施方案，可以有效解決水錘的防護(hù)問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性、耐久性。