真空吸氣閥與單向調(diào)壓塔在長(zhǎng)距離多起伏管線中的水錘防護(hù)研究

張旭峰 陳立志 劉先念

(大連市供水有限公司 116021)

我國(guó)長(zhǎng)距離輸水管線距離長(zhǎng)、起伏大，使得設(shè)備的優(yōu)化選擇存在難度。本文結(jié)合工程實(shí)例，建立水錘防護(hù)設(shè)備模型，對(duì)比真空吸氣閥和調(diào)壓塔水錘防護(hù)方案事故停泵時(shí)水錘防護(hù)效果，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定一個(gè)較佳的水錘防護(hù)方案［1］。

1 水錘防護(hù)設(shè)備模型建立

針對(duì)長(zhǎng)距離、起伏大的輸水管線，水錘防護(hù)設(shè)備有單向調(diào)壓塔、真空吸氣閥、空氣閥等［2～5］。

1.1 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。單向調(diào)壓塔的注水管上裝設(shè)有逆止閥，當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時(shí)，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱分離，避免彌合水錘。單向調(diào)壓塔的幾何高度及容積較雙向調(diào)壓塔可大大降低，其幾何高度及容積相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)合理，但其對(duì)停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限［8］。由于單向調(diào)壓塔是靠塔內(nèi)水位與管道內(nèi)壓力差，在重力作用下進(jìn)行補(bǔ)水防止水柱分離的，因此其保護(hù)范圍僅為塔內(nèi)最高水位以下的管道部分［9］。此外，單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠，一旦該閥門失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。

計(jì)算公式為

當(dāng)Hp3≤Hp，Qp3=0 時(shí)

以上式中 Qp1——流經(jīng)調(diào)壓塔前管內(nèi)流量，m3/s;

Qp2——流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量，m3/s;

Qp3——流出調(diào)壓塔流量，m3/s;

Ca——調(diào)壓塔出口流量系數(shù);

AP——補(bǔ)水短管的過流面積，m2;

HP3——調(diào)壓塔水位，m;

HP——管中壓力，m;

Smax——調(diào)壓塔內(nèi)浮球閥控制最高水位(常數(shù))，m;

Z ——塔相對(duì)于基準(zhǔn)面高度，m;

Q3——塔內(nèi)流量，m3/s;

Δt——調(diào)壓塔出流時(shí)間，s;

F ——塔斷面面積，m2。

1.2 真空吸氣閥

真空吸氣閥在系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)時(shí)可迅速開啟，自動(dòng)向系統(tǒng)中補(bǔ)入大量空氣。真空吸氣閥安裝在管線的坡峰處，與空氣閥相結(jié)合，一定程度上可起到調(diào)壓塔的作用。在管線發(fā)生爆管或排水閥損壞失效情況下，水流速度過快，極易形成真空，此時(shí)空氣閥的吸氣功能不能完全防止真空的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致爆管情況發(fā)生。在此處設(shè)置真空吸氣閥可有效防止真空的出現(xiàn)［10］。

空氣以亞音速等熵流進(jìn)(P0＞P ＞0.5283P0)時(shí)，計(jì)算公式為

Cin——空氣流入空氣閥時(shí)的流量系數(shù);

Ain——空氣閥的進(jìn)口面積，m2;

P——空氣閥內(nèi)絕對(duì)壓力，MPa;

P0——大氣絕對(duì)壓力，MPa;

ρ0——大氣密度。

空氣以臨界流速等熵流進(jìn)(P≤0.5283P0)時(shí)，計(jì)算公式為

式中

式中 R——?dú)怏w常數(shù);

T0——大氣溫度，K。

2 水錘防護(hù)設(shè)備模型求解

水錘計(jì)算方法較多，研究采用特征線法［6，7］。特征線法基本原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉(zhuǎn)化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。本研究采用特征線法［6，7］求解。水錘計(jì)算的特征差分方程為

QL1、QL2——管道L1、L2 兩點(diǎn)的瞬態(tài)流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 兩點(diǎn)的瞬態(tài)水頭;

CT、Cn——水錘特征沿程的特征參量;

Ca——管道的特征常數(shù);

Cf——管道的摩阻性常數(shù);

g——重力加速度;

a——水錘波速;

f——管道的阻力系數(shù);

Δt——選定時(shí)間步長(zhǎng);

D——管道直徑;

A——管道過流面積。

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連南段工程為泵送單管輸水，前端水池水位為122.98m，后端水池水位為131.89m，管線全長(zhǎng)36.3km，均為鋼管，承壓能力為1.3MPa(局部1.4MPa)，前段28.9km 管線直徑為1800mm，后段7.4km 管線直徑為1600mm。在距離管線起端1520m 處有泵站一座，泵站前為重力流輸水。

該管線多起伏，類似于多個(gè)U 形管連接在一起。泵站內(nèi)設(shè)有3臺(tái)DN300 壓力波動(dòng)預(yù)止閥，每臺(tái)水泵后設(shè)有一臺(tái)緩閉液控止回閥。管線上設(shè)計(jì)有48個(gè)緩閉式空氣閥，口徑為DN200mm。

該工程穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況

分析可知:管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管線各處自由水壓遠(yuǎn)小于承壓能力，管線承壓能力滿足穩(wěn)態(tài)需求。

3.2 水錘防護(hù)方案模擬計(jì)算

在現(xiàn)有設(shè)備條件下(即全線空氣閥方案)，水錘防護(hù)效果見圖2。

圖2 事故停泵水錘壓力包絡(luò)線

分析可知:事故停泵后局部管線負(fù)壓嚴(yán)重，現(xiàn)有設(shè)備不能滿足水錘防護(hù)要求，有必要增加水錘防護(hù)設(shè)備。

研究針對(duì)前述三種水錘防護(hù)設(shè)備，即真空吸氣閥、單向調(diào)壓塔、空氣閥，分別給出一個(gè)可行的水錘防護(hù)方案，進(jìn)行優(yōu)化比較。

3.2.1 方案一(單向調(diào)壓塔)

該方案在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上管線A、B 兩處分別增加雙向調(diào)壓塔1個(gè)，其中A 處的單向調(diào)壓塔塔高10m，直徑3m，水深6m;B 處的單向調(diào)壓塔塔高8m，直徑2.4m，水深5m。并且A、B 兩處均增加一個(gè)DN200的緩閉式空氣閥。計(jì)算結(jié)果見圖3。

分析可知:事故停泵時(shí)，全線最大水壓110.2m，管線起端有較長(zhǎng)的負(fù)壓段，最小壓力達(dá)到-4.8m，滿足防護(hù)需求。

3.2.2 方案二(真空吸氣閥)

方案二相對(duì)于方案一，用真空吸氣閥代替A、B 兩處的單向調(diào)壓塔，A、B 兩處的真空吸氣閥口徑均為300mm。并且A、B 兩處均增加一個(gè)DN200的緩閉式空氣閥。計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖3 方案一事故停泵管道水錘壓力包絡(luò)線

圖4 方案二事故停泵管道壓力包絡(luò)線

分析可知:事故停泵時(shí)，全線最大水壓86.3m，管線起端有較長(zhǎng)的負(fù)壓段，最小壓力達(dá)到-3.6m，滿足防護(hù)需求。

3.3 方案比選

在采用不同設(shè)備獲得可行的方案后，研究通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定一個(gè)較優(yōu)的水錘防護(hù)方案。

3.3.1 技術(shù)性能比較

由圖3、圖4的分析可知:方案一泵后有較大壓力產(chǎn)生，同時(shí)管線存在負(fù)壓段，水錘防護(hù)效果較差;方案二效果比方案一好。方案一由于罐體儲(chǔ)水易滯水而造成污染，相比之下方案二具有最好的水質(zhì)保護(hù)功能。

3.3.2 經(jīng)濟(jì)性能比較

方案二調(diào)壓塔單獨(dú)使用不能滿足需求，還需要配合使用兩個(gè)DN200的空氣閥。且塔的容積較大，工程量大，而且施工易受地形限制而有一定難度。在東北地區(qū)使用還需考慮冬季保溫問題;方案二僅使用真空閥和空氣閥，安裝快捷簡(jiǎn)單，不受地形限制，管理方便。

3.3.3 方案的確定

綜合比較上述兩個(gè)方案，方案二設(shè)備安裝簡(jiǎn)單快捷而不受地形限制，以較小的費(fèi)用獲得了較好的水錘防護(hù)效果，對(duì)于防止水污染也有較好的性能。且設(shè)備簡(jiǎn)單、最易于實(shí)施，最終被確定為最佳方案。

4 結(jié) 語

對(duì)比分析單向調(diào)壓塔、真空吸氣閥兩種水錘防護(hù)設(shè)備的性能及適用范圍，以大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程為例，通過大量計(jì)算分別獲得可行的方案，并對(duì)比分析各方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能，最終確定真空吸氣閥為最優(yōu)水錘防護(hù)方案。

對(duì)于形如多U 形管串連的長(zhǎng)距離輸水管線，如果管線波峰處高程差不大，管線首尾水池水位高差也不大，那么在管線波峰處采用真空閥與空氣閥，水錘防護(hù)效果非常好，而且造價(jià)低廉、易于實(shí)施。

在長(zhǎng)距離輸水管線水錘計(jì)算結(jié)果還存在一定并不確定性時(shí)，要通過大量的反復(fù)計(jì)算確定水錘防護(hù)設(shè)備。?按照設(shè)備性能特點(diǎn)選擇設(shè)備，依據(jù)計(jì)算分析確定設(shè)備位置;?多計(jì)算，通過防護(hù)效果確定設(shè)備型號(hào);?制定幾個(gè)可行的方案，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后最終確定方案。

1 周小兵，張立德，劉廣林.長(zhǎng)距離調(diào)水工程管理信息系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007:12 -31.

2 WAN Wu Yi.Study on unsteady flow in long-distance water diversion projects［D］.Tianjin University，2004:1 -3.

3 NAIK，K.A.，SRIKANTH，P.，CHANDEL，A.K.A novel governor control for stability enhancement of hydro power plant with water hammer effect［J］.Emerging Trends in E1ectrica1 and Computer Techno1ogy (ICETECT)，2011:40-45.

5 金錐.停泵水錘及其防護(hù)［M］.第2 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:6 -12.

6 YANG Yu Si，MA Xiao Yun，LI Xiao Yan.Analysis the impact of wave velocity on the calculation of pressure boost in water hammer of long-distance water pipelines［C］.Internationa1 Symposium on Water Resource and Environmenta1 Protection(ISWREP)，2011:2943 -2945.

7 ZHU Zuo Jin.Quasi-Characteristic method for KDV-Buragers equations［J］.Acta Scientiarum Natura1ium Universitatis of Science and Techno1ogy of China，2004，27(4):8 -12.

8 FENG Wen Tao，YANG Jian Dong.Study on the hydraulic impedance of surge tank［C］.Second Internationa1 Conference on Mechanic Automation and Contro1 Engineering (MACE)，2011，2624 -2627.

9 XU Yan Yan.Study on water hammer protection using box type two-way surge tank in long distance water pipeline with high-lift and multi-fluctuation［D］.Chang’an University，2008:22-31.

10 GAO Jin Liang，CHANG Kui，CHEN Li Zhi，et al.Subatmospheric pressure protection for large diameter long distance pipeline system:A case study［J］.Internationa1 Conference on Networking，Sensing and Contro1 (ICNSC)，2011:399 -404.

11 劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護(hù)［M］.北京:水利電力出版社，1988:126 -131.