羅定市原水工程關(guān)閥水錘分析

陳偉文

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

由于輸水工程的特殊性和復(fù)雜性，長(zhǎng)距離輸水中存在很多的問題，其中最常見、最突出的問題是長(zhǎng)距離輸水管線水錘保護(hù)[1]。目前，水錘計(jì)算分析方法和軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣，輸水配水工程設(shè)計(jì)當(dāng)中針對(duì)水錘防護(hù)內(nèi)容的研究成果日漸增多[2]。其中，目前常用的水擊現(xiàn)象數(shù)值計(jì)算方法有有限差分法、有限元法、有限體積法、以及特征線法等，其中特征線法處理簡(jiǎn)單、精度較高，應(yīng)用最為廣泛[3]。延長(zhǎng)閥門關(guān)閉時(shí)間是減小水錘危害的有效途徑[4]。本文結(jié)合實(shí)例，通過對(duì)末端閥門不同關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)合測(cè)壓管水頭和沿程管道壓力包絡(luò)線分析，得出合理的水錘防護(hù)方案從而優(yōu)化了管道設(shè)計(jì)。

1 工程概況

隨著羅定市的各項(xiàng)各業(yè)日益發(fā)展擴(kuò)大，原金銀河供源水管（內(nèi)徑1.2m）已不能滿足市民及各項(xiàng)業(yè)發(fā)展的需求，現(xiàn)急需鋪設(shè)一條從金銀河水庫(kù)至七和水廠的源水供水管確保市民及各項(xiàng)業(yè)用水需求。經(jīng)線路比選后，確定了總長(zhǎng)9.5km 的推薦方案，推薦方案起點(diǎn)位于金銀河水庫(kù)原取水點(diǎn)，終點(diǎn)接入七和水廠絮凝池，由于金銀河水庫(kù)地勢(shì)較高，計(jì)算后原水可不經(jīng)加壓泵站，通過地勢(shì)差輸送到現(xiàn)狀七和水廠。本次設(shè)計(jì)管徑DN1400，輸水能力23 萬t/d，水力坡降3‰。管材為球磨鑄鐵管，壁厚14mm。

2 模擬建立

2.1 水庫(kù)參數(shù)

羅定市金銀河水庫(kù)位于羅定市中部——羅定江中游右岸群山，跨越羅平、素龍、生江三個(gè)鎮(zhèn)，距城區(qū)15km。金銀河水庫(kù)是一座集供水、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫(kù)，是羅定市最大的供水水源，是我們共同的大水缸。供水范圍覆蓋羅城、生江、附城、雙東、素龍、圍底、華石、蘋塘等8 個(gè)鎮(zhèn)（街），受益人口50 多萬人。

金銀河輸水工程于2008 年5 月動(dòng)工興建，2009 年6 月建成通水，設(shè)計(jì)日供水量14 萬m3，日最大供水量可達(dá)22 萬m3。現(xiàn)有取水口1 個(gè)，位于金銀河水庫(kù)副壩下游，總供水能力0.5 億m3/年，已建成日供水量8 萬m3，規(guī)劃金銀河水庫(kù)取水口繼續(xù)保留，擴(kuò)建到日后最大供水量31m3，以滿足用水量要求。正常水位100.60m，相應(yīng)庫(kù)容3225 萬m3。

2.2 管道參數(shù)

由于本次從水庫(kù)向城區(qū)水廠供水，不需要泵站加壓，故不考慮經(jīng)濟(jì)流速。

2.2.1 滿流或壓力流的輸水管管徑

式中：Q——輸水管計(jì)算流量，m3/s；V——管道流速，m/s。

2.2.2 沿程水頭損失

式中：hy——沿程水頭損失，m；L——計(jì)算管段長(zhǎng)度，m；i——管道單位長(zhǎng)度的水頭損失（水力坡降）。

由于本次采用的是內(nèi)襯水泥砂漿的球墨鑄鐵管道，《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）推薦采用的管渠沿程水頭損失計(jì)算公式如式（3）所示。

2.2.3 位置水頭

金銀河水庫(kù)常蓄水位約95m，終點(diǎn)七和水廠第一個(gè)處理設(shè)備網(wǎng)格絮凝調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)水位約67m，則位置水頭約28m。

2.2.4 計(jì)算結(jié)果

綜上計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 水力計(jì)算

2.3 瞬態(tài)參數(shù)

波速計(jì)算采用以下公式計(jì)算。

本項(xiàng)目DN1400 球墨鑄鐵管壁厚14mm 波速計(jì)算結(jié)果為982.31m/s。

管道選用球墨鑄鐵管，公稱壓力1.6MPa。應(yīng)用水力瞬變的特征線方法，定位閥門邊界進(jìn)行求解計(jì)算。

3 停泵水錘分析

3.1 穩(wěn)態(tài)模擬

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的水力坡度（總水頭線）曲線和有壓輸水管道高程曲線，如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)高程曲線

終點(diǎn)處設(shè)流量控制閥，控制流量為23 萬m3/d，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)最大壓力水頭46m，管道沒有產(chǎn)生負(fù)壓。

3.2 無排氣閥防護(hù)水錘模擬

根據(jù)前述波速計(jì)算公式，管徑DN1400 球墨鑄鐵管波速為982.31m/s，末端設(shè)計(jì)DN1400 控制閥和流量調(diào)節(jié)閥，本系統(tǒng)水錘相為U=2L/a=19.64s。應(yīng)控制關(guān)閥時(shí)間大于水錘相，避免產(chǎn)生直接水錘。

沒有設(shè)置排氣閥的情況下，末端閥門分別按10s 內(nèi)勻速關(guān)閉（圖2），30s 內(nèi)勻速關(guān)閉（圖3），60s 內(nèi)勻速關(guān)閉（圖4），60s 內(nèi)分兩階段（前20s 相對(duì)快速關(guān)閥80%，后40s 內(nèi)緩慢關(guān)閉另外的20%）（圖5），120s 內(nèi)勻速關(guān)閥（圖6）為例。對(duì)關(guān)閥水錘模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 10s 勻速關(guān)閥

圖3 30s 勻速關(guān)閥

圖4 60s 勻速關(guān)閥

圖5 60s 兩階段關(guān)閥

圖6 120s 勻速關(guān)閥

圖2 中，紅線為最大壓力水頭包絡(luò)線，黑線為穩(wěn)態(tài)時(shí)總水頭線，綠線為管道高程，藍(lán)線為最小壓力水頭包絡(luò)線。在不設(shè)排氣閥的情況下，10s 內(nèi)勻速關(guān)閥末端閥前壓力約212.776mH2O （扣除地面高程60m 后約1.5MPa 壓力，雖然未超過管道工作壓力1.6MPa，也沒超過管道實(shí)驗(yàn)壓力），但為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止?jié)撛诘谋茱L(fēng)險(xiǎn)，需要尋求更好的關(guān)閥方案，盡量降低最高水錘壓力值。

圖3 中，30s 內(nèi)勻速關(guān)閥末端閥前壓力約207.032mH2O。與10s 勻速關(guān)閥相差不大，需要尋求更好的關(guān)閥方案，盡量降低最高水錘壓力值。

圖4 中，60s 內(nèi)勻速關(guān)閥末端閥前壓力約130.07mH2O。與10s，30s 勻速關(guān)閥相比有較大下降。

圖5 中，60s 內(nèi)兩階段關(guān)閥末端閥前壓力約137.748mH2O。與60s 勻速關(guān)閥相差不大。

圖6 中，120s 勻速關(guān)閥末端閥前壓力約112.404mH2O。與60s 勻速關(guān)閥相差不大。

根據(jù)表2 的結(jié)果，可見60s 勻速，60s 分階段，120s勻速均能較好降低水錘影響，綜合操作和管理簡(jiǎn)約性和運(yùn)行效果。本次選擇出現(xiàn)特殊情況需要關(guān)閥時(shí)末端60s 勻速關(guān)閥的操作方式。

表2 各種工況管道壓力

4 結(jié)語

長(zhǎng)距離有壓管道輸水水流條件復(fù)雜、沿程磨損較大，且運(yùn)行過程中閥門的調(diào)節(jié)或事故的發(fā)生等都會(huì)導(dǎo)致沿線的流量、流速、壓力等水力參數(shù)發(fā)生急劇變化[5]。采用Bentley.Hammer 水錘分析技術(shù)，用建模方法對(duì)水錘效應(yīng)的管段進(jìn)行分析，多次模擬分析后，確保管道在正常運(yùn)行工況、關(guān)閥等工況下，管道全線不產(chǎn)生負(fù)壓，水錘影響控制在工程可接受范圍內(nèi)。