秦皇島市引青輸水管道系統(tǒng)水錘分析

鄔龍，趙志才，王艷艷

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津300204）

秦皇島市引青輸水管道系統(tǒng)水錘分析

鄔龍1，趙志才1，王艷艷2

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司，天津300204）

鑒于引青輸水管道系統(tǒng)輸水管線長、地形起伏大等問題，水錘分析計(jì)算對(duì)工程安全運(yùn)行具有重要意義。根據(jù)引青輸水管道系統(tǒng)的輸水特征、各取水點(diǎn)取水量等特點(diǎn)，分析了3組不利工況，各個(gè)工況下擬定不同的閥門關(guān)閉時(shí)間，采用特征線法進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明，輸水管道末端海港水廠進(jìn)水閥的關(guān)閉對(duì)管道安全影響最大，最佳關(guān)閥程序?yàn)榫?5 min緩慢關(guān)閥，且運(yùn)行過程中應(yīng)避免海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥的同時(shí)關(guān)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(fā)生變化而產(chǎn)生的壓力波，與流速的變化率有關(guān)。水錘壓力增加過大，會(huì)使管道超壓破壞；水錘壓力減小過多，會(huì)使液柱分離，甚至管道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；液柱分離后形成空泡，而空泡破滅瞬間產(chǎn)生水錘壓力也會(huì)破壞管道。為此，有必要進(jìn)行水錘分析計(jì)算，以控制管道最大壓力不超過設(shè)計(jì)壓力，避免水錘壓力波造成管道破壞。這里，將對(duì)秦皇島市引青輸水管道系統(tǒng)擬定不同關(guān)閥工況和閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行水錘分析。

1 工程概況

自2000年以來秦皇島市先后實(shí)施了引青濟(jì)秦東線擴(kuò)建一、二期工程、引青東西線對(duì)接工程、引青西線改造工程，2015年開始實(shí)施引青濟(jì)秦?cái)U(kuò)建三期工程，進(jìn)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(duì)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(jì)算管道總長度約157km，其中隧洞長約6.7 km。管材主要采用預(yù)應(yīng)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(jìn)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(jìn)水口處管道中心線高程為14.70 m；輸水管道沿線節(jié)點(diǎn)高程依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)高程值輸入模型中。

模型計(jì)算時(shí)，按規(guī)劃水平年輸水管線總設(shè)計(jì)流量為52.4萬m3/d計(jì)，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(xiàng)目、海港西水廠、同和熱電廠、湯河水廠、首秦板材、北部工業(yè)園、海港水廠共11個(gè)取水點(diǎn)。本次模型計(jì)算水量分配方案，如圖1所示。

圖1 引青濟(jì)秦管道系統(tǒng)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(tǒng)水力過渡過程分析與計(jì)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(zhuǎn)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(jìn)行積分，得到有限差分方程式，根據(jù)給定的初始邊界條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)采用有限差分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

（1）特征線方程組為：

式中：X為管道水平方向的坐標(biāo)（順?biāo)鞣较驗(yàn)檎╩）；t為時(shí)間（s）；a為水錘波傳播速度（m/s）；H為管道內(nèi)壓力水頭（m）；V為管道內(nèi)流速（m/s）；α為管道與水平線的夾角（°）；f為管道摩阻系數(shù)；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(dāng)量摩阻系數(shù)，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(jì)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(shù)。

上面兩式相減得：

經(jīng)試算求得Qp，再求Hp。

（3）初始邊界條件。調(diào)流閥的過流特性曲線為直線，其計(jì)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(hào)意義同前。

3 水錘分析計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)引青東線輸水特征、各取水點(diǎn)取水量等特點(diǎn)，本次水錘分析主要擬定如下幾種不利情況進(jìn)行分析計(jì)算。方案一：海港水廠進(jìn)水閥關(guān)閉；方案二：海港、湯河水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉；方案三：海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉。類比其他工程，擬定不同的閥門關(guān)閉時(shí)間，進(jìn)行水錘壓力計(jì)算。

3.2 水錘計(jì)算

3.2.1 海港水廠進(jìn)水閥關(guān)閉工況

根據(jù)規(guī)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(guī)模為12.13萬m3/d。

（1）海港水廠進(jìn)水閥門1 min勻速關(guān)閉。海港水廠進(jìn)水閥1 min勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)線如圖2所示。圖2中上部的實(shí)線為管道最大壓力線，中間的點(diǎn)劃線為最小壓力線，下部的實(shí)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(duì)壓力水頭為45.3 m；管道最小壓力線與恒定流狀態(tài)下的壓力線基本重合，管道沿線未出現(xiàn)負(fù)壓。引青應(yīng)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(dá)到0.53 MPa，超過了應(yīng)急工程管道的設(shè)計(jì)壓力（應(yīng)急輸水管道的設(shè)計(jì)壓力值為0.4MPa）；引青三期擴(kuò)建管道最大水壓力為0.32 MPa。

圖2 海港水廠進(jìn)水閥1 min勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

圖3 海港水廠進(jìn)水閥5 min勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（2）海港水廠進(jìn)水閥門5 min勻速關(guān)閉。海港水廠進(jìn)水閥5 min勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)線如圖3所示。從圖3可知，與1 min關(guān)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(duì)壓力水頭為20.04 m。引青應(yīng)急工程輸水管線管道最大水壓力為0.3MPa，出現(xiàn)在擴(kuò)建三期管段末端（里程約34+700處）。由于應(yīng)急管道最大水壓力未達(dá)到0.4 MPa，因此可確保輸水管線的安全運(yùn)行。

（3）海港水廠進(jìn)水閥門15 min勻速關(guān)閉。海港水廠進(jìn)水閥15 min勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)線如圖4所示。與5 min勻速關(guān)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(yīng)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(yīng)急輸水管道的安全運(yùn)行。

圖4 海港水廠進(jìn)水閥15 min勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（4）海港水廠進(jìn)水閥門30 min勻速關(guān)閉。海港水廠進(jìn)水閥30 min勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(guān)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(jìn)水閥30 min勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

3.2.2 海港與湯河水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉

湯河水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)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(duì)海港與湯河水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉這種極端不利工況，分別擬定5、15、30 min關(guān)閥進(jìn)行分析計(jì)算。

（1）海港、湯河水廠進(jìn)水閥5 min同時(shí)關(guān)閉。海港、湯河水廠進(jìn)水閥5 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(dú)關(guān)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(xiàn)在海港水廠前端約650 m處的應(yīng)急管線中；引青三期擴(kuò)建管道最大水壓力為0.32 MPa。

圖6 海港與湯河水廠進(jìn)水閥5 min同時(shí)勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（2）海港、湯河水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)關(guān)閉。海港、湯河水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(guān)閥的情況相比，海港水廠進(jìn)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(xiàn)在擴(kuò)建管段位置。

圖7 海港與湯河水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（3）海港、湯河水廠進(jìn)水閥30 min同時(shí)關(guān)閉。海港、湯河水廠進(jìn)水閥30 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)線如圖8所示。從圖8可知，其與15 min勻速關(guān)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(jìn)水閥30 min同時(shí)勻速關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

3.2.3 海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉工況

為保障管道運(yùn)行過程中針對(duì)各種復(fù)雜不利情況均能保持安全可靠運(yùn)行，本節(jié)擬定海港、深河、北戴河西水廠同時(shí)關(guān)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(jìn)水閥5 min同時(shí)勻速關(guān)閉。海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥5 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(kuò)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(xiàn)在擴(kuò)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(jìn)水閥5 min同時(shí)關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（2）海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)勻速關(guān)閉。海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(kuò)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(xiàn)在擴(kuò)建管段末端位置。

圖10 海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥15 min同時(shí)關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

（3）海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥30 min同時(shí)勻速關(guān)閉。海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥30 min同時(shí)勻速關(guān)閉，水錘壓力包絡(luò)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(kuò)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(xiàn)在擴(kuò)建管段末端位置。

圖11 海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥30 min同時(shí)關(guān)閉水錘壓力包絡(luò)線

從計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥關(guān)閉時(shí)間超過5 min時(shí)，可以顯著減小水錘壓力波對(duì)管道的影響；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間超過15 min時(shí)，關(guān)閥操作規(guī)程對(duì)水錘波的消除影響甚微。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）從不同工況的計(jì)算結(jié)果可以看出，輸水管道末端海港水廠進(jìn)水閥的關(guān)閉對(duì)管道安全影響最大。

（2）從多種關(guān)閥程序的試算結(jié)果可以看出，關(guān)閥過程必須緩慢，最佳關(guān)閥程序?yàn)榫?5 min緩慢關(guān)閥，可以有效地避免關(guān)閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘升壓，確保系統(tǒng)安全。

（3）根據(jù)試算，對(duì)于海港與湯河水廠進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉這種極端不利工況，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間超過15 min（勻速關(guān)閉）時(shí)，引青應(yīng)急管道及引青三期擴(kuò)建管道的最大水壓力均不會(huì)超過0.32 MPa，可保證管道的安全運(yùn)行。

（4）在運(yùn)行過程中應(yīng)避免海港、深河、北戴河西水廠進(jìn)水閥的同時(shí)關(guān)閉。

4 結(jié)論

引青輸水管道是秦皇島市長距離輸水管道系統(tǒng)，輸水距離較長且地形起伏較大，容易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對(duì)輸水安全造成極大危害。利用特征線法進(jìn)行了不利工況下的水錘計(jì)算分析，提出工程運(yùn)行中如何通過閥門操作避免水錘現(xiàn)象的發(fā)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(guī)劃、環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。