伊犁河揚(yáng)水工程中空氣罐水錘防護(hù)的設(shè)計與優(yōu)化

翁湛等

摘要長距離輸水工程水錘問題日益突出，水錘防護(hù)難度大。針對伊犁河揚(yáng)水工程存在的水錘問題，根據(jù)瞬變流基本理論，建立了空氣罐的水力分析模型，并結(jié)合工程實例對空氣罐的水錘防護(hù)方案進(jìn)行了分析優(yōu)化。研究表明，通過理論設(shè)塔方法可以方便地得到空氣罐的初設(shè)方案，結(jié)合水力過渡過程分析對初設(shè)方案進(jìn)一步優(yōu)化，可以在不影響水錘防護(hù)效果的情況下，顯著減小空氣罐的體型尺寸。

關(guān)鍵詞抽水?dāng)嚯姡凰N防護(hù)；空氣罐；輸水工程

中圖分類號S274.2；TV134+.1；TV672+.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）21-382-03

長距離輸水工程已經(jīng)成為當(dāng)前水資源優(yōu)化配置的有效手段，但其引水流量大、受水區(qū)域廣、線路距離長，正常運行調(diào)度和事故應(yīng)急調(diào)度時，需要對泵、閘、閥等進(jìn)行一系列復(fù)雜操作，并引起管道中壓力和流量的劇烈波動，導(dǎo)致水錘防護(hù)問題較為突出。由于輸水管道較長，除日常檢修維護(hù)困難外，事故響應(yīng)速度也相對遲緩，一旦管道發(fā)生破壞，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，輕則導(dǎo)致管線受損，重則導(dǎo)致管道爆管、水泵機(jī)組損毀，甚至全系統(tǒng)停水[1-3]。因此，輸水管道一般需采取多重水錘防護(hù)措施，以確保管道安全。同時，為保證各種防護(hù)措施的有效及可靠性，必要時還需進(jìn)行多個防護(hù)措施的聯(lián)合控制。

常規(guī)雙向穩(wěn)壓塔水錘防護(hù)性能穩(wěn)定，但往往設(shè)置高度較高，投資很大，限制了其在輸水工程中的應(yīng)用，而空氣罐具有優(yōu)良的水錘防護(hù)性能，可以大大縮小調(diào)壓室的體型，受場地條件的限制較小，在輸水工程中應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。因此，基于有壓瞬變流理論，探討空氣罐的水力分析模型，結(jié)合工程實例進(jìn)行空氣罐水錘防護(hù)方案的設(shè)計優(yōu)化分析，有利于空氣罐的工程設(shè)計與推廣應(yīng)用，對大型有壓輸水工程的水錘防護(hù)具有借鑒意義。

1工程概況

新疆伊犁河南岸干渠察布查爾縣揚(yáng)水灌區(qū)東西長約50 km，南北寬約9 km，海拔高程800～1 000 m。項目區(qū)地形較平坦，南北向自然坡降1/30～1/50，東西向縱坡1/2 000～1/4 000。灌區(qū)凈灌面積3.07萬hm2（46萬畝）。整個灌區(qū)以較大的洪溝為界劃分為面積不等、相對獨立的3個小灌區(qū)，單獨設(shè)揚(yáng)水站進(jìn)行分級揚(yáng)水，揚(yáng)水總高度約為200 m。每個小灌區(qū)設(shè)4級泵站，共設(shè)12級泵站。設(shè)計揚(yáng)程區(qū)間約在52～57 m之間，單級泵站管線長度在1 376～2 895 m之間，單級泵站設(shè)計流量在1.57～7.32 m3/s之間。

灌區(qū)各級泵站間均有分水無空流段，且灌區(qū)各灌溉區(qū)間流量要求變幅較大。為滿足灌溉流量調(diào)節(jié)的要求各泵站裝設(shè)的水泵大小和臺數(shù)均不同，各泵站的每根上水管線都并聯(lián)有不同型號的多臺水泵。其中第一級泵站工程左管安裝4臺臥式雙吸離心泵（2臺大泵和1臺中泵工作，1臺小泵備用），大泵單機(jī)流量1.66 m3/s，轉(zhuǎn)速730 r/min，配套電機(jī)功率1 400 kW；中泵單機(jī)流量0.55 m3/s，轉(zhuǎn)速1 450 r/min；小泵單機(jī)流量0.2 m3/s，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，配套電機(jī)功率220 kW，揚(yáng)程56.64 m。輸水管線采用PCCP管單管供水，直徑為1.6 m，長度約3.0 km。該文主要針對第一級泵站工程的空氣罐水錘防護(hù)進(jìn)行分析。

4空氣罐水錘防護(hù)方案

根據(jù)空氣罐的水錘防護(hù)機(jī)理，結(jié)合相關(guān)工程的實踐經(jīng)驗，當(dāng)采用空氣罐作為工程的水錘防護(hù)措施時，通常以水泵抽水?dāng)嚯姷氖鹿使r作為空氣罐方案設(shè)計的控制工況。根據(jù)水錘波的傳播特性和管線的布置特點，制定出空氣罐的初設(shè)方案，并需要借助瞬變流分析理論，對初設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4.1計算工況的選擇

第一級泵站工程輸水管線采用PCCP管單管供水，直徑為1.6 m，長度約3.0 km。前池為供水起點，正常水位823.02 m；出水池作為供水終點，正常水位87184 m，總供水量為3.87 m3/s。以第一級泵站水泵斷電作為控制工況進(jìn)行計算分析，由于為單管供水，因此水泵抽水?dāng)嚯姾髮]有補(bǔ)給水源為該輸水管線供水，如不采取穩(wěn)壓措施，該輸水管線可能發(fā)生負(fù)壓破壞。

4.2空氣罐初設(shè)方案的確定

4.2.1泵后不設(shè)空氣罐的計算。由于第一級泵站及其輸水系統(tǒng)全長約3.0 km，水錘波速約750 m/s，在不設(shè)置空氣罐的無調(diào)壓措施情況下系統(tǒng)發(fā)生水錘時，水錘波的相長約8 s，意味著當(dāng)水泵抽水?dāng)嚯姇r，8 s內(nèi)流量變化所產(chǎn)生的泵后壓力降低，將按照直接水錘公式變化，由此產(chǎn)生較大的水錘壓力，直接水錘公式如下：

ΔH=agΔv（11）

式中：△v為輸水管線8 s之內(nèi)的流速變化。

由圖1可知，在泵后不設(shè)空氣罐的無調(diào)壓措施情況下，泵站抽水?dāng)嚯姇r，泵后輸水管道3 s內(nèi)的流量由3.87 m3/s變化到2.37 m3/s，由此導(dǎo)致輸水干管流速由1.93 m/s下降至1.18 m/s，下降約0.75 m/s，按照式（11），可能導(dǎo)致壓力下降約563.1 kPa。

由于理論分析忽略了斷電水泵運行水泵之間的壓力傳遞，計算結(jié)果略大于理論分析值，但計算結(jié)果的波形與理論分析基本一致。由于泵后產(chǎn)生了約588.6 kPa左右的壓力下降，該壓力波的傳播，將導(dǎo)致泵站后的輸水管路沿線出現(xiàn)較嚴(yán)重負(fù)壓。沿線由于初始壓力較低，樁號0+692、1+418、2+118等處壓力可能降低至水流汽化壓力以下，將導(dǎo)致管道破壞。

從圖3、4可看出，1-1泵站后無調(diào)壓措施時，1-1泵站抽水?dāng)嚯姇r，泵后沿線將產(chǎn)生遠(yuǎn)大于汽化壓力的負(fù)壓，故需在1-1泵站后沿線設(shè)置平壓措施，尤其在管道后面由于管中初始壓力很低，水錘壓力一旦通過時產(chǎn)生的壓力降低將直接導(dǎo)致水流汽化。

4.2.2泵后設(shè)置空氣罐的計算。綜合考慮地形條件、施工難度及工程造價等因素，在擬定空氣罐的體型尺寸時，空氣罐高度限制在10 m以內(nèi)，面積設(shè)置在25 m2以內(nèi)。選取了2個對比方案進(jìn)行比選，初擬的空氣罐體型尺寸方案如下。

水管附近設(shè)置空氣罐方案，泵后壓力下降幅值與速度得以有

效控制，水錘壓力基本被空氣罐隔斷，管道內(nèi)的壓力不會降至負(fù)壓，并存在一定余量。2種空氣罐的設(shè)置方案均可滿足沿線無負(fù)壓以及事故停泵過程中泵后壓力允許上升值為水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍的規(guī)范要求，事故停泵過程中的最小水深分別為0.3和0.18 m。在水錘防護(hù)效果相差不大的情況下，方案1的空氣罐體積為200 m3，方案2的空氣罐體積為175 m3，綜合考慮方案2為推薦方案。

5結(jié)論

通過對伊犁河揚(yáng)水工程的空氣罐防護(hù)方案進(jìn)行理論和實例分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）空氣罐具有良好的負(fù)壓防護(hù)性能，空氣罐水錘防護(hù)方案應(yīng)通過理論分析和水力過渡過程數(shù)值計算來確定；

（2）空氣罐的體型設(shè)計與輸水系統(tǒng)的具體布置和水泵特性密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)行多方案的優(yōu)化比選；

（3）空氣罐的布置應(yīng)盡量靠近泵站，則在有壓輸水系統(tǒng)發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿屎螅煤箝y門可以做到較快速關(guān)閉；

（4）考慮到泵后閥門關(guān)閉需要一定的時間，必須具有合理的容積，以保證空氣罐在整個過渡過程中不漏空，避免因漏空而導(dǎo)致管線出現(xiàn)負(fù)壓。

參考文獻(xiàn)

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