秦皇島市引青輸水管道系統水錘分析

鄔龍，趙志才，王艷艷

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.天津普澤工程咨詢有限責任公司，天津300204）

秦皇島市引青輸水管道系統水錘分析

鄔龍1，趙志才1，王艷艷2

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.天津普澤工程咨詢有限責任公司，天津300204）

鑒于引青輸水管道系統輸水管線長、地形起伏大等問題，水錘分析計算對工程安全運行具有重要意義。根據引青輸水管道系統的輸水特征、各取水點取水量等特點，分析了3組不利工況，各個工況下擬定不同的閥門關閉時間，采用特征線法進行分析計算。結果表明，輸水管道末端海港水廠進水閥的關閉對管道安全影響最大，最佳關閥程序為均速15 min緩慢關閥，且運行過程中應避免海港、深河、北戴河西水廠進水閥的同時關閉。

秦皇島；引青輸水管道；水錘；特征線法

水錘是管道水流流速發生變化而產生的壓力波，與流速的變化率有關。水錘壓力增加過大，會使管道超壓破壞；水錘壓力減小過多，會使液柱分離，甚至管道結構失穩破壞；液柱分離后形成空泡，而空泡破滅瞬間產生水錘壓力也會破壞管道。為此，有必要進行水錘分析計算，以控制管道最大壓力不超過設計壓力，避免水錘壓力波造成管道破壞。這里，將對秦皇島市引青輸水管道系統擬定不同關閥工況和閥門關閉時間進行水錘分析。

1 工程概況

自2000年以來秦皇島市先后實施了引青濟秦東線擴建一、二期工程、引青東西線對接工程、引青西線改造工程，2015年開始實施引青濟秦擴建三期工程，進一步提升了引青水源向秦皇島市的供水保障能力。

水錘分析對象為上起燕窩莊小水庫取水口、下至海港水廠的引青輸水主干線（不含各水廠的取水支線），輸水線路全長約57km，計算管道總長度約157km，其中隧洞長約6.7 km。管材主要采用預應力鋼筋混凝土管，穿河及多起伏地段采用鋼管；管徑采用DN1200、DN1400、DN2200和DN2500進行多種組合。

燕窩莊小水庫取水口處管道中心線高程為74.22 m，水位為78.73 m；管道末端海港水廠進水口處管道中心線高程為14.70 m；輸水管道沿線節點高程依據實際設計高程值輸入模型中。

模型計算時，按規劃水平年輸水管線總設計流量為52.4萬m3/d計，沿線有引洋入撫、深河水廠、北戴河西水廠、北戴河水廠、富士康項目、海港西水廠、同和熱電廠、湯河水廠、首秦板材、北部工業園、海港水廠共11個取水點。本次模型計算水量分配方案，如圖1所示。

圖1 引青濟秦管道系統水量分配方案（單位：萬m3/d）

2 水錘分析方法

特征線法是泵站及管路系統水力過渡過程分析與計算的主要方法，其主要思路是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉化為在特征線方向上的常微分方程組（特征方程），沿特征線進行積分，得到有限差分方程式，根據給定的初始邊界條件，應用計算機采用有限差分進行數值計算。

（1）特征線方程組為：

式中：X為管道水平方向的坐標（順水流方向為正）（m）；t為時間（s）；a為水錘波傳播速度（m/s）；H為管道內壓力水頭（m）；V為管道內流速（m/s）；α為管道與水平線的夾角（°）；f為管道摩阻系數；g為重力加速度（m/s2）；D為管道直徑（m）。

（2）簡化的相容性方程（有限差分方程式）為：

式中：B為特征阻抗，B=a/(gA)；R為當量摩阻系數，R=fΔL/(2gDA2)；QA、QP、QB為管道中A、P、B斷面的流量（m3/s）；HA、HP、HB為管道中A、P、B斷面的壓力水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）；D為管道直徑（m）；A為管道斷面積（m2）；ΔL為管道計算分段長度（m）；a為水錘波傳播速度（m/s）；f為管道摩阻系數。

上面兩式相減得：

經試算求得Qp，再求Hp。

（3）初始邊界條件。調流閥的過流特性曲線為直線，其計算公式為：

其中：

式中：Q0為閥門流量（m3/s）；ΔH0為閥門處的水頭損失（m）；τ為閥門開度；其余符號意義同前。

3 水錘分析計算

3.1 計算工況

根據引青東線輸水特征、各取水點取水量等特點，本次水錘分析主要擬定如下幾種不利情況進行分析計算。方案一：海港水廠進水閥關閉；方案二：海港、湯河水廠進水閥同時關閉；方案三：海港、深河、北戴河西水廠進水閥同時關閉。類比其他工程，擬定不同的閥門關閉時間，進行水錘壓力計算。

3.2 水錘計算

3.2.1 海港水廠進水閥關閉工況

根據規劃，海港水廠分別由引青管線與石河水庫供水，其中引青管線供水規模為12.13萬m3/d。

（1）海港水廠進水閥門1 min勻速關閉。海港水廠進水閥1 min勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖2所示。圖2中上部的實線為管道最大壓力線，中間的點劃線為最小壓力線，下部的實線為管道中心線。從圖2可知，管道末端水錘波較為顯著，末端最大水錘壓力水頭為60 m，較正常輸水增加約39 m，管道相對壓力水頭為45.3 m；管道最小壓力線與恒定流狀態下的壓力線基本重合，管道沿線未出現負壓。引青應急工程輸水管線部分管段的最大水壓力均超過0.4 MPa，最大水壓力可達到0.53 MPa，超過了應急工程管道的設計壓力（應急輸水管道的設計壓力值為0.4MPa）；引青三期擴建管道最大水壓力為0.32 MPa。

圖2 海港水廠進水閥1 min勻速關閉水錘壓力包絡線

圖3 海港水廠進水閥5 min勻速關閉水錘壓力包絡線

（2）海港水廠進水閥門5 min勻速關閉。海港水廠進水閥5 min勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖3所示。從圖3可知，與1 min關閥的情況相比，管道末端水錘波減緩較為顯著，末端最大水錘壓力水頭為34.74 m，較正常輸水增加14.04 m，管道相對壓力水頭為20.04 m。引青應急工程輸水管線管道最大水壓力為0.3MPa，出現在擴建三期管段末端（里程約34+700處）。由于應急管道最大水壓力未達到0.4 MPa，因此可確保輸水管線的安全運行。

（3）海港水廠進水閥門15 min勻速關閉。海港水廠進水閥15 min勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖4所示。與5 min勻速關閥相比較，水錘壓力線略有下降，末端最大水錘壓力水頭為28.75 m，較正常輸水增加8.05 m。引青應急工程輸水管線管道最大水壓力為0.29 MPa，均未超過0.4 MPa，可確保應急輸水管道的安全運行。

圖4 海港水廠進水閥15 min勻速關閉水錘壓力包絡線

（4）海港水廠進水閥門30 min勻速關閉。海港水廠進水閥30 min勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖5所示。從圖5可知，末端最大水錘壓力水頭為27.79 m，與15 min勻速關閥相比較，水錘壓力線下降并不明顯，僅下降0.96 m水頭，降幅約3.3%。

圖5 海港水廠進水閥30 min勻速關閉水錘壓力包絡線

3.2.2 海港與湯河水廠進水閥同時關閉

湯河水廠設計供水規模為5.51萬m3/d（含水廠自用水量0.25萬m3/d），水源全部來自引青輸水干線。針對海港與湯河水廠進水閥同時關閉這種極端不利工況，分別擬定5、15、30 min關閥進行分析計算。

（1）海港、湯河水廠進水閥5 min同時關閉。海港、湯河水廠進水閥5 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖6所示。從圖6可知，海港管道末端水錘波最為顯著，末端最大水錘壓力水頭為39.33 m，較正常輸水增加18.63 m，與海港水廠5 min單獨關閥相比，增加4.59 m；湯河水廠取水口（引青輸水干線）最大水錘壓力水頭較正常輸水增加15.62 m。引青輸水管線沿線最大水壓力為0.34 MPa，出現在海港水廠前端約650 m處的應急管線中；引青三期擴建管道最大水壓力為0.32 MPa。

圖6 海港與湯河水廠進水閥5 min同時勻速關閉水錘壓力包絡線

（2）海港、湯河水廠進水閥15 min同時關閉。海港、湯河水廠進水閥15 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖7所示。從圖7可知，海港管道末端最大水錘壓力水頭為33.83 m，較正常輸水增加13.13 m；湯河水廠取水口（引青輸水干線）最大水錘壓力水頭較正常輸水增加15.42 m。與5 min勻速關閥的情況相比，海港水廠進水處水錘壓力下降明顯，而湯河水廠取水口處水錘壓力下降不明顯。引青輸水管線沿線最大水壓力為0.32 MPa，出現在擴建管段位置。

圖7 海港與湯河水廠進水閥15 min同時勻速關閉水錘壓力包絡線

（3）海港、湯河水廠進水閥30 min同時關閉。海港、湯河水廠進水閥30 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖8所示。從圖8可知，其與15 min勻速關閥水錘壓力線基本一致，最大水錘壓力沒有明顯下降。管道沿線最大水壓力為0.32 MPa。

圖8 海港與湯河水廠進水閥30 min同時勻速關閉水錘壓力包絡線

3.2.3 海港、深河、北戴河西水廠進水閥同時關閉工況

為保障管道運行過程中針對各種復雜不利情況均能保持安全可靠運行，本節擬定海港、深河、北戴河西水廠同時關閥的情況，分析管道最大壓力變化情況。

（1）海港、深河、北戴河西水廠進水閥5 min同時勻速關閉。海港、深河、北戴河西水廠進水閥5 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖9所示。從圖9可知，海港及深河、北戴河西水廠取水口管道末端水錘影響最明顯，海港末端最大水錘壓力水頭為38.0 m，較正常輸水增加17.3 m；深河、北戴河西水廠取水口（即引青擴建三期管道末端）最大水錘壓力水頭為44.83 m，較正常輸水增加8.79 m。引青輸水管線沿線最大水壓力為0.367 MPa，出現在擴建管段末端位置；海港水廠取水口前管段的最大水壓力為0.32 MPa。

圖9 海港、深河、北戴河西水廠進水閥5 min同時關閉水錘壓力包絡線

（2）海港、深河、北戴河西水廠進水閥15 min同時勻速關閉。海港、深河、北戴河西水廠進水閥15 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖10所示。從圖10可知，海港末端最大水錘壓力水頭為32.94 m，較正常輸水增加12.24 m；深河、北戴河西水廠取水口（即擴建管道末端）最大水錘壓力水頭為44.47 m，較正常輸水增加8.43 m。引青輸水管線沿線最大水壓力為0.367 MPa，出現在擴建管段末端位置。

圖10 海港、深河、北戴河西水廠進水閥15 min同時關閉水錘壓力包絡線

（3）海港、深河、北戴河西水廠進水閥30 min同時勻速關閉。海港、深河、北戴河西水廠進水閥30 min同時勻速關閉，水錘壓力包絡線如圖11所示。從圖11可知，海港末端最大水錘壓力水頭為32.44 m，較正常輸水增加11.74 m；深河、北戴河西水廠取水口（即擴建管道末端）最大水錘壓力水頭為44.32 m，較正常輸水增加8.28 m。引青輸水管線沿線最大水壓力為0.366 MPa，出現在擴建管段末端位置。

圖11 海港、深河、北戴河西水廠進水閥30 min同時關閉水錘壓力包絡線

從計算結果可知，當海港、深河、北戴河西水廠進水閥關閉時間超過5 min時，可以顯著減小水錘壓力波對管道的影響；當關閥時間超過15 min時，關閥操作規程對水錘波的消除影響甚微。

3.3 計算結果分析

（1）從不同工況的計算結果可以看出，輸水管道末端海港水廠進水閥的關閉對管道安全影響最大。

（2）從多種關閥程序的試算結果可以看出，關閥過程必須緩慢，最佳關閥程序為均速15 min緩慢關閥，可以有效地避免關閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘升壓，確保系統安全。

（3）根據試算，對于海港與湯河水廠進水閥同時關閉這種極端不利工況，當關閥時間超過15 min（勻速關閉）時，引青應急管道及引青三期擴建管道的最大水壓力均不會超過0.32 MPa，可保證管道的安全運行。

（4）在運行過程中應避免海港、深河、北戴河西水廠進水閥的同時關閉。

4 結論

引青輸水管道是秦皇島市長距離輸水管道系統，輸水距離較長且地形起伏較大，容易出現水錘現象，對輸水安全造成極大危害。利用特征線法進行了不利工況下的水錘計算分析，提出工程運行中如何通過閥門操作避免水錘現象的發生。

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TV672+.2

A

1004-7328（2016）06-0050-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.016

2016—07—10

鄔龍（1985—），男，工程師，主要從事水利規劃、環境影響評價工作。