長距離重力流輸水管路水錘防護(hù)研究

蔣琳琳，張炅冏，陳琦瑩

長距離重力流輸水管路水錘防護(hù)研究

蔣琳琳1，張炅冏2，陳琦瑩2

（1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津301636；2.海河下游管理局，天津300061）

長距離重力流輸水管路距離長、支線多、落差大，當(dāng)末端水廠閥門突然關(guān)閉時，管路則產(chǎn)生破壞性較大的水錘壓力。在輸水管路中采取合理的水錘防護(hù)措施，為保證輸水工程的可靠性提供了重要作用。以河南葉縣的南水北調(diào)受水區(qū)供水配套輸水工程為研究對象，對管路末端水廠閥門同時關(guān)閉產(chǎn)生的水錘壓力進(jìn)行模擬計算，采用空氣閥、超壓泄壓閥相結(jié)合的方式作為水錘防護(hù)措施。由計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣閥、超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)能有效減小管路中產(chǎn)生的水錘壓力，研究成果可為類似工程的水錘防護(hù)提供參考。

長距離重力流；輸水管路；水錘壓力；水錘防護(hù)

1　前言

長距離重力流依靠管路進(jìn)出口地勢高差進(jìn)行輸水，當(dāng)管路中閘閥突然啟閉會引起管內(nèi)流速突然變化產(chǎn)生較大的水錘壓力，可引起管路系統(tǒng)強(qiáng)烈振動、管件接頭松動、閥門破壞甚至管路爆裂等問題。

重力流輸水管路的水錘問題與管路特點(diǎn)和布置形式有關(guān)，因此管路的水力過渡過程和水錘防護(hù)問題一直被研究。楊紀(jì)偉［1］總結(jié)了不同設(shè)計流量下管路動水壓力特點(diǎn)和分布規(guī)律；張健［2］提出不同工況管路設(shè)置空氣閥的通用準(zhǔn)則和公式；鄭興興［3］分析了水錘管路中空氣閥和單向調(diào)壓塔聯(lián)合防護(hù)的效果。筆者通過數(shù)值模擬對某長距離重力流輸水管路末端閥門關(guān)閉產(chǎn)生的水力過渡過程進(jìn)行計算，建議設(shè)置水錘防護(hù)措施確保管路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2　計算對象及模型

2.1計算對象

河南省葉縣的南水北調(diào)受水區(qū)供水配套輸水工程，利用地勢落差采用重力流輸水方式向不同水廠供水。輸水管路包括主干線1條，支線6條。主干線長144 km，管徑2.6～1.6 m，為PCCP管。支線總長31 km，管徑1.2～0.8 m，為鋼管。主干線進(jìn)、出口高差82.325 m。輸水工程分段及管路參數(shù)見表1，供水線路布置如圖1所示。

表1　輸水工程分段及管路參數(shù)

圖1　供水線路

2.2計算模型

建立該輸水工程模型，在主干線和支線末端的水廠處設(shè)置調(diào)流閥，在分流口前、各支線入口處建立控制閥。對末端水廠關(guān)閥引起的管路水錘現(xiàn)象進(jìn)行研究。管路計算模型，如圖2所示。

圖2　管路計算模型

3　計算過程分析

3.1正常輸水

正常輸水時，各管路均可達(dá)到管設(shè)計流量。主管沿程壓力先增大后減小，在樁號21+044.35干江河倒虹吸工程處，由于該位置管中心高程較低，壓力達(dá)到60 mH2O，為輸水管路中的最大值。

其余支線壓力由入口向出口逐漸減小，壓力最大值均在40 mH2O以內(nèi)。穩(wěn)定輸水各管路最大壓力及位置，見表2。由此可見，管路正常輸水時管中壓力不大。

表2　正常輸水各管路最大壓力及位置mH2O

3.2無防護(hù)措施時同時關(guān)閥

水廠出現(xiàn)事故時應(yīng)盡快關(guān)閉管線末端的調(diào)流閥，但關(guān)閥過快又會引起較大的水錘壓力，借鑒國內(nèi)已有工程實(shí)例，各管末端調(diào)流閥均以900 s線性關(guān)閉。8個水廠同時關(guān)閥，各管流速減小，壓力增加到最大，為最不利關(guān)閥方案。在管路無防護(hù)措施的情況下進(jìn)行同時關(guān)閥水錘模擬，由表3可知，此種關(guān)閥方案下，整個管路的水錘壓力最大值在主干線末端143+ 924附近，為165.1 mH2O。在主干線中部，從支線傳入主干線的水錘波沿主干線水流向正、反兩方向傳播，水錘波升壓相互疊加，減小了主干線的水錘壓力。而主干線末端調(diào)流閥關(guān)閉所產(chǎn)生的水錘波只能沿主干線反向傳播，導(dǎo)致主干線末端出現(xiàn)最大水錘壓力。

表3　無防護(hù)措施下8個水廠同時關(guān)閥的特征壓力mH2O

3.3設(shè)置防護(hù)措施時同時關(guān)閥

目前，水錘防護(hù)裝置包括空氣閥、空氣罐、調(diào)壓塔、水錘消除器等。而空氣閥以其經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的特點(diǎn)被廣泛用在工程中。當(dāng)空氣閥附近的管內(nèi)壓力低于大氣壓，空氣閥打開進(jìn)氣防止管內(nèi)負(fù)壓的產(chǎn)生；當(dāng)空氣閥附近的管內(nèi)壓力高于大氣壓時，空氣閥自動打開進(jìn)行排氣。因此，空氣閥可以排除管路通水初期未能排盡或管內(nèi)壓力減小從水中釋放出來的氣體，又能補(bǔ)氣防止負(fù)壓，消除輸水管路中液柱分離產(chǎn)生的水錘。

我國《室外給水設(shè)計規(guī)范》［4］規(guī)定：輸水管（渠）道隆起點(diǎn)上應(yīng)設(shè)通氣設(shè)備，管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設(shè)1處通氣設(shè)施，配水管道根據(jù)工程需要設(shè)置空氣閥。根據(jù)該規(guī)范中空氣閥的設(shè)置原則，每隔0.5～1.0 km安裝1個兼有進(jìn)/排氣功能的空氣閥，此時空氣閥的作用主要是滿足管路產(chǎn)生負(fù)壓時進(jìn)氣、通水時對管路排氣的功能。并適當(dāng)在高程較大的駝峰、向上隆起的拐點(diǎn)處增設(shè)空氣閥，其目的是防止管路中液柱分離產(chǎn)生水錘。

通過試算和優(yōu)化，沿線共布置排氣閥326個，其中主干線為252個。空氣閥孔徑以以色列A.R.I. Flow Control Accessories公司設(shè)計空氣閥時采用的方法確定［5］。用孔口出流公式計算出管路泄水放空時的最大排水量，由水與空氣容積平衡原理確定管路的補(bǔ)氣量，并用海森-威廉方程計算出發(fā)生水錘時管段需要的補(bǔ)氣量，根據(jù)補(bǔ)氣量的最大值確定空氣閥的孔徑。

其計算公式為：

式中：D為輸水管直徑（mm）；φ為系數(shù)，取0.9；v2為輸水管線泄水或充水的最大流速（m/s）；v1為閥孔處氣流流速，取40～50 m/s。

該輸水管路支線管徑以0.8 m為主，最大流速1.5 m/s，確定空氣閥孔徑約為0.15 m。

由于空氣閥在管路產(chǎn)生負(fù)壓時，只能通過快速進(jìn)氣緩解負(fù)壓，因此對負(fù)壓的消除效果并不完全，如果水流產(chǎn)生的負(fù)壓超過空氣閥的安全閾量，管路同樣可能會受到較大的水錘破壞。因此，對管路設(shè)置超壓泄壓閥進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)。當(dāng)閥前壓力超過預(yù)先設(shè)定的壓力值時，閥門打開釋放部分高壓水，壓力降于設(shè)計壓力以下，閥門自動關(guān)閉。超壓泄壓閥公稱直徑按管道直徑的1/5～1/4選取，其界限壓力應(yīng)等于或大于最大正常使用壓力加0.15～0.2 MPa［6］，安裝在輸水工程末端管線上，位于關(guān)閉閥上游，且盡量設(shè)置在有倒虹吸等管路高程較低的位置。

超壓泄壓閥在管路中的位置采用試算法逐個安裝在管路壓力最大處，最終確定在主干線、支線共15處分別安裝1臺超壓泄壓閥，界限壓力為92、100 mH2O 2種，公稱直徑DN200。

當(dāng)管路設(shè)置防護(hù)措施時，8個水廠同時關(guān)閥，主干線最大水錘壓力降至93.3 mH2O，由表4可知，各水廠調(diào)流閥所在斷面的最大水錘壓力值均在100 mH2O以內(nèi)，未超過穩(wěn)態(tài)工況最大壓力的1.5倍。

表4　設(shè)置防護(hù)措施下8個水廠同時關(guān)閥的特征壓力mH2O

3.4無/設(shè)置防護(hù)措施的效果比較

由圖3可知，當(dāng)管路設(shè)置水錘防護(hù)措施時，在8個水廠同時關(guān)閥情況下，最小壓力線在穩(wěn)定運(yùn)行壓力線之下；最大壓力線全線平穩(wěn)，變化幅度較小，有效控制了主干線末端產(chǎn)生的關(guān)閥水錘升壓，防護(hù)效果顯著。對比2種情況下的計算結(jié)果，沿程最大水錘壓力由165.1 mH2O下降到93.3 mH2O，水錘壓力下降43.4％。因此，空氣閥與超壓泄壓閥的聯(lián)合使用能有效減小重力流輸水管路的水錘壓力。

圖3　主干線壓力對比

4　結(jié)語

根據(jù)上述結(jié)果可知，針對距離長、支線多、落差大的重力流輸水管線，在無防護(hù)措施情況下，當(dāng)末端水廠閥門同時關(guān)閉時會出現(xiàn)較大水錘壓力，對管路產(chǎn)生極大破壞。通過在管路中設(shè)置空氣閥，在水錘壓力較高處安裝超壓泄壓閥，不僅降低了管路沿線最大壓力，同時主干線末端的水錘升壓也得到有效控制，可保證輸水管路的安全運(yùn)行。

［1］楊紀(jì)偉，鄭薇薇，李書芳，等.重力輸水管路水壓特性分析［J］.人民黃河，2009，31（2）：80-81.

［2］張健，朱雪強(qiáng)，曲興輝，等.長距離供水工程空氣閥設(shè)置理論分析［J］.水利學(xué)報，2011，42（9）：1025-1033.

［3］鄭興興，張健，何喻，等.空氣閥的水錘防護(hù)性能及其在聯(lián)合防護(hù)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2014，32（2）：167-170.

［4］GB50013-2006，室外給水設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］賴冬根.長距離輸水管線空氣閥設(shè)置的研究［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18（26）：189-191.

［6］楊寶奎，朱滿林，程虹，等.水錘計算中壓力管道的分段問題研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（1）：53-56.

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1004-7328（2016）04-0053-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.017

2016—03—11

蔣琳琳（1988—），女，助教，主要從事工程水力學(xué)研究工作。