高揚程多起伏長距離供水工程水錘計算分析

郎　穎

(撫順市水利勘測設計研究院， 遼寧 撫順　113008)

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高揚程多起伏長距離供水工程水錘計算分析

郎穎

(撫順市水利勘測設計研究院， 遼寧 撫順113008)

以撫順市補水泵站輸水管路系統為例，對管路系統水錘進行分析計算，根據計算結果，提出了有效防止水錘發生的防護方案，保證了管道系統的安全運行。

輸水管道； 水錘； 計算； 防護

隨著中國經濟的快速發展，城市規模逐漸擴大，生產、生活對水的需求量也越來越大。然而由于水資源在時空分布上的不均衡和日益嚴重的污染等問題，造成了區域內水的供需矛盾日益嚴峻[1-2]。因此，中國規劃建設了一些長距離的輸水工程，主要有明渠和管道兩種[3]。在長距離的輸水工程中，地形往往比較復雜，地勢通常也有很大的起伏，而且由于輸水的距離很長。管道中的水流在壓力的作用下通常處于非穩態的狀態，在管道拐彎或變徑等部位水流會發生流速的急劇變化[4]。在慣性的作用下水流也會造成管道內壓力急劇變化，發生水錘現象。隨著長距離輸水管道的逐漸增多，如何避免水錘現象引發事故，就成為了保證泵站、管道及沿線安全的重要內容。因此在對輸水管道中的流態特點、水錘發生的機理和水錘的防護特點等方面研究的基礎上，通過水錘計算的基本理論和方法，以撫順市輸水工程為例，進行輸水管路系統的水錘分析計算，對保障輸水系統的安全運行、地方水源系統的穩定和地方經濟發展及社會穩定具有重要意義。

1　水錘防護特征分析

1.1輸水管道流態特點

長距離的輸水管道通常具有揚程高、流量大、管線長、壓力大、沿線起伏多等特點。壓力輸水管道中的水流在不同的工況下往往呈現出不同的復雜狀態，為研究帶來了很大的困難。因此根據流體運動的特點和基本規律，將輸水管線的縱斷面分為升坡段、水平段、降坡段、高點、低點和變陡點。根據氣液兩相流理論，壓力輸水管道中水流狀態可以分為層狀流、波狀流、段塞流、氣團流、泡沫流和環狀流。輸水管線在不同工況下的水流流態和氣水流向之間的關系如下表所示。

管道水流流態和氣水流向關系表

根據表1和氣液兩相流的理論，充水工況下，壓力管道水平段通常呈現為層狀流，其次為波狀流，最后為段塞流，特殊條件下會出現氣團流、泡沫流和環狀流等不穩定的流態，這三種流態最終會轉變為段塞流；泄水工況下，管道中的流態基本都是層狀流，偶爾出現波動流；正常運行工況下，管道中依次為氣團流、泡沫流和段塞流，由于氣團流和泡沫流不穩定，最終管道中會呈現段塞流形態。在有水錘現象等特殊條件下，管道中會出現氣團流、泡沫流以及環狀流等交替出現的復雜情況。在升坡段的管道最高點、降坡段的管壁、水平段的管頂內壁和管道變陡點等處，會出現氣囊，嚴重時會阻斷水流。

1.2輸水管道水錘防護特點

長距離輸水管道通常是依靠水泵將水在管道中輸送的，因此在進行水錘防護時，需進行啟泵和停泵水錘防護，還要進行管道水錘防護。在輸水管道未充滿水或停泵時管道內水排空的情況下，啟動水泵，由于管道中的空氣不能及時排出，會使管道中的壓力水頭急劇變化，形成水錘現象[4]。在突然停電或其他原因造成水泵運行時不能繼續正常工作，管道內水流速度會產生急劇的變化，加之管道中的空氣不能及時排出，水流發生壓力急驟交替升降，形成水錘。壓力輸水管道在突然停泵或關閥后，其內的水流流速急劇變化，會在管道內產生一系列的壓力急劇升降的波動過程，形成水錘。一般有升壓破壞、降壓破壞和先降壓破壞再升壓破壞等破壞形式。

2　水錘計算基本理論

2.1水錘微分方程式

按照彈性水柱及其相關理論，水錘基本微分方程式由運動方程和連續方程組成，能全面地反映壓力管道中非恒定流的運動規律，基本方程見公式(1)和公式(2)。

運動方程式：

(1)

連續方程式：

(2)

式中H——管路系統中某結點的水頭，m；

f——管路摩阻系數；

V——管內流速，m/s，流向閥門為正；

α——管路與水平面的夾角；

a——水錘波的傳播速度，m/s；

x——位置坐標，指向閥門為正。

由于式(1)和式(2)比較復雜，在實際工程中往往難以利用，實際情況下當壓力管道內發生水錘現象時，水錘的波速通常要遠遠大于水的流速，此時可以忽略水的流速影響，此外只考慮水錘引起的升降壓時，高差引起的水頭變化也可忽略，這樣上述兩個公式就可以簡化為式(3)和式(4)的形式。

運動方程式：

(3)

連續方程式：

(4)

2.2特征線法

特征線法是指將流動暫態的偏微分方程式，利用斜率固定不變的特征線，轉化為特定形式的全微分方程式組，然后對全微分方程式組進行積分，得到有限差分方程式，然后根據管路系統的各種邊界條件，通過編制計算機程序進行分析計算的方法[6]。特征線方程：

(5)

(6)

在實際工程中，管道內水流流速遠遠小于水錘的波速，因此可以忽略流速項的影響，上述特征線方程組可以簡化為：

(7)

(8)

3　工程實例分析

3.1工程概況

撫順市補水泵站輸水管路系統為水庫至自來水廠的壓力輸水管線，揚程高，管線沿線地形起伏大。供水的總高差為156m，設計流量0.2m3/s，線路管道全長8.5km，泵站前水池水位標高1897m，輸水管道末端出水口中心標高2053m。水泵型號：SLOW250-610×2B；電機型號：Y500-4 (IP23-800kW-10kV)；額定揚程180m；額定流量0.3m3/s；額定轉速1480r/min；額定效率81%。管道材料的彈性模量2.1×1010Pa，體積彈性系數2.1×109kg/m3，管道內水錘波的傳播速度500m/s。

3.2管路系統水錘分析計算

在水錘分析計算之前，首先對具體管道縱斷面布置及穩態運行壓力線進行推算，結果如圖1所示。

圖1　管道穩態運行工況壓力分布

本次主要分析了以下幾種情況下管道內的水錘包絡線：?只在管道末端安裝緩閉止回閥，其快關角度為70°，快關時間為10s，總關時間為120s，此情況下的水錘包絡線如圖2所示；?制定樁號處(0+136、0+817、1+570、2+350、3+033、3+984、4+520、5+275、5+955、6+631、7+330、8+380)安裝緩沖排氣閥，在管道末端安裝緩閉止回閥，其快關角度為70°，快關時間為10s，總關時間為120s，緩沖閉合流速0.5m/s，此情況下的水錘包絡線如圖3所示；?管道緩閉止回閥的位置和參數與前兩種情況相同，另外在樁號6+200處安裝超壓泄壓閥，此情況下的水錘包絡線如圖4所示；?管道緩閉止回閥的位置和參數與前幾種情況相同，沿管道每間隔800m安裝緩沖閥，緩沖閉合流速0.5m/s，另外在樁號6+200處安裝箱式雙向調節塔，此情況下的水錘包絡線如圖5所示。

圖2　管路末端安裝緩閉止回閥時的水錘包絡線

圖3　指定樁號安裝緩沖排氣閥時的水錘包絡線

圖4　指定樁號安裝超壓泄壓閥時的水錘包絡線

圖5　指定樁號安裝箱式雙向調壓塔和緩沖排氣閥時的水錘包絡線

由圖2可知，只在管路末端安裝緩閉止回閥時，會導致斷流彌合水錘升壓，其升壓在2100m以上，升壓超過管道的承壓范圍，爆管的概率大大增加，必須采取其他防護措施。由圖3可知，在緩沖閉合流速0.5m/s時，管道后段部分壓力小于其承壓值，其余管道的斷流彌合水錘升壓仍然較大，緩沖排氣閥起到的作用有限，管道的升壓仍未達到管道的承壓范圍以內，仍需采取進一步的防護措施。由圖2和圖3對比可知，安裝緩沖排氣閥后最大水錘升壓有一定的降低，管路的負壓狀況得到了改善，消弱了斷流彌合水錘形成的負壓。

由圖4可知，在雙向調節塔附近管段的最大水錘壓力明顯降低，但其他管段的部分最大壓力仍然超過管道承壓值且變化比較劇烈，在停泵時極易爆管，且仍然存在彌合水錘升壓。還需增加其他防護措施。

由圖5可知，管道內水錘升壓變化基本相同，最大水錘壓力均在2100m以下，已小于管道承壓值，且最低壓力也高于中心線標高，全線基本無負壓，能平穩安全地運行，說明緩閉止回閥、緩沖排氣閥和箱式雙向調節塔能有效地降低管道的最大水錘升壓和防止斷流彌合水錘。

4　結　論

對撫順市補水泵站輸水管路系統采取不同防護措施的分析表明：只在管路末端安裝緩閉止回閥時，會導致斷流彌合水錘升壓，升壓超過管道的承壓范圍；安裝緩沖排氣閥起到的作用有限，管道的升壓仍未達到管道的承壓范圍以內，最大水錘升壓有一定的降低，管路的負壓狀況得到了改善；在超壓泄壓閥附近管段的最大水錘壓力明顯降低，但其他管段的部分最大壓力仍然超過管道承壓值且變化比較劇烈；安裝緩閉止回閥、緩沖排氣閥和箱式雙向調節塔，管道內最大水錘壓力已小于管道承壓值，說明能有效地降低管道的最大水錘升壓和防止斷流彌合水錘。

[1]楊樹紅.烏魯瓦提水電站抗磨蝕防護技術探討[J].中國水能及電氣化,2013(7):34-38,46.

[2]楊宇.長距離有壓輸水系統防水錘設計探析[J].水利建設與管理,2015(9):35-37.

[3]馬曉立.新疆福海縣小洼漕草料基地建設項目中自壓滴灌技術的應用[J].水資源開發與管理,2015(3):70-72,28.

[4]欒俊亮,伏世紅,宿祺.太平灣供水工程水錘數值模擬分析[J].東北水利水電,2015(5):6-7,71.

Analysis on water hammer calculation of high lift long-distance water supply project with many ups and downs

LANG Ying

(FushunWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Fushun113008,China)

Fushun filling water pumping station water conveyance pipeline system is adopted as an example for analyzing and calculating water hammer of pipeline system. Protection plan for effectively preventing water hammer is proposed according to calculation result, thereby ensuring safety operation of pipeline system.

water conveyance pipe; water hammer; calculation; protection

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)09- 0036- 06