長距離引水工程中的水錘分析設計

陳靖韜,譚建國

(中國聯合工程公司,浙江 杭州 310052)

水錘是影響長距離壓力輸水工程安全運行的一個極為重要的因素。在長距離輸水管道中,流速變化是經常出現的,管道中流速變化時,致使管道中水的壓力的升高或降低,在壓力低于水的汽化壓力時,水柱就被拉斷,出現斷流空腔,在空腔處的水流彌合時將產生強烈的撞擊,管道中的水升壓,形成水錘。水錘是造成輸水系統破壞的主要原因,不少工程因水錘而引起爆管,產生了嚴重的經濟損失。本次以江山市峽口水庫引水工程為例,介紹長距離引水管道在防水錘方面的設計。

江山市峽口水庫引水工程為江山市峽口水庫至江山市第二水廠的原水引水工程。設計近期引水規模為10萬噸/日,遠期引水規模為20萬噸/日。引水采用重力引水模式有壓輸水形式,引水管管徑DN1200～DN1600。引水管自峽口水庫壩下開始,沿途經過規劃江山市第三水廠、峽口鎮、鳳林鎮、蓮華山工業區、山海協作區,至江山市第二水廠設計引水管道全長約33.2km。沿線地勢起伏較大,管道布置形式有明挖鋪設、管橋架空、頂管、水工隧洞、穿渠圍堰等。引水管道兩端最大高差約140m,易發生水錘現象。

根據項目特點分析,本工程為水庫重力流引水,未采用水泵等人工提升措施,引水距離較長,且多次反復穿過山體、農田,地形較為復雜,因此可能出現的水錘主要為關閥水錘、彌合水錘和充水水錘等。以下分別針對不同類型的水錘進行防水錘設計：

1 防關閥水錘設計

在長距離管道的輸水系統中,管線上的檢修閥、減壓閥的關閥都會造成關閥水錘。壓力管道中的水流由于閥門關閉,水的動能造成閥前壓力急劇上升,并在管線中傳播,尋求薄弱點破壞管道[1]。

一般來說關閥水錘產生的水錘波從關閥位置向系統末端來回反復傳輸若干個周期造成破壞,為防止關閥水錘的產生和破壞,則要控制水流的動能。因此可采用控制閥門關閉時間的方式來控制水流速度,從而達到控制水流動能的效果。

根據計算,在10～15個水錘周期內阻止水的流動,可以大幅降低水錘發生的強度。因此針對本工程各閥門所處系統的位置,計算確定控制閥門緩慢關閉的時間,并在閥門前安裝水錘泄放閥,可有效防止水錘破壞。水錘周期的計算如下：

T=2*L/a

式中：T—水錘周期。從水錘發生開始位置傳輸到系統末端并返還到起始位置的時間,s；L—水錘發生點所在封閉管段的長度,m；a—水錘波在管道中的傳播速度。

1.1 近期輸水工況下未設置防護措施的沿程管道壓力包絡線

本次關閥水錘設計中,采用KYPipe2012水錘分析軟件模擬分析出整條管道系統在多種工況時的管道壓力包絡線及管道末端的壓力波動情況。

本次設計分別模擬末端閥門關閥180s～210s的工況。圖中藍線代表管道,紅線為穩態運行時管道沿程測壓管水頭線(HGL),灰線顯示模擬關閥水錘工況沿程管道每個點的最大及最小壓力,即壓力包絡線。詳細如下：①末端閥門180s關閉工況。從圖1.1中可知,在末端閥門180s關閉的工況下,管線的正向水錘作用非常明顯,整條管線的承壓級別都要遠高于2.0MPa,如果按照管材的1.6MPa的壓力等級來考慮的話,在管道的薄弱處發生爆管的可能非常大；②末端閥門210s關閉工況。從圖1.2中可知,在末端閥門210s關閉的工況下,整條管道絕大部分的正向壓力均處于壓力包絡線內,除尾部處于超壓狀態(即綠色管道承受最高壓線在壓力包絡線內)外。蝶閥的關閉時間延長后可以明顯減少水錘的發生,除此,建議適當對整個系統增加防護措施來減小水錘破壞的可能性。

圖1.1 末端閥門近期180s關閉工況(未設置防護措施)

圖1.2 末端閥門近期210s關閉工況(未設置防護措施)

1.2 近期輸水工況下已設置防護措施的沿程管道壓力包絡線

根據以上模擬分析,在整個管道系統上設置水錘防護措施如下：在末端蝶閥的上游處設置快速泄壓閥并列安裝,當壓力超過1.5MPa時,閥門開啟釋放壓力。

根據管線敷設沿線地勢設置了一定數量的空氣閥,再進行模擬計算：①近期工況末端閥門240s關閉工況。如圖1.3可見,水錘防護措施發揮作用后,顯著地減弱了水錘效應,管道末端的壓力波動控制在0.02-0.5MPa內,使得管道的內的最高壓力明顯減小；②遠期工況末端閥門240s關閉工況。同樣防護措施應用于遠期流量設定為8750m3/h,如圖1.4可見水錘防護措施發揮作用后,顯著地減弱了水錘效應,管道末端的壓力波動控制在0.02-1.2MPa內,在管道承壓等級范圍內。

圖1.3 末端閥門近期240s關閉工況(設置水錘防護措施)

圖1.4 末端閥門遠期240s關閉工況(設置水錘防護措施)

綜上所述,增加了水錘防護措施,并將關閥時間控制在240s以上時,整條管道無論在近期或遠期流量發生關閥水錘時,管道全段壓力波動值均在管道承壓等級范圍內,可以保證管道的安全運行。

2 防彌合水錘設計

所謂彌合水錘,即由于管道中水柱分離形成負壓,負壓會將分離水柱重新拉回撞擊,造成管道壓力上升的現象。通常在管線的最高點和拐點最容易出現彌合水錘[2]。

解決彌合水錘的唯一途徑是防止負壓形成。可以通過對負壓區補水或補氣的方式來防止負壓形成。對于本工程,峽口水庫至G205省道段為山體、田地反復出現,如果采用補水的方式消除彌合水錘,則需要在各山坡高點處設置空氣壓力罐,雖然防止效果較好,但即有造價較大的問題,也容易丟失、損壞,不利于維護管理。因此本工程主要考慮采用補氣的方式消除彌合水錘對管道的破壞。

因普通的排氣閥在彌合水錘發生時的補氣速度沒有負壓形成的速度快,負壓已經造成分離的水柱彌合,消除水錘效果不好。本工程設計時采用高速復合式雙口排氣閥來解決彌合水錘的問題。高速復合式雙口排氣閥是一個可快吸慢排的閥門在分離水柱彌合時,閥門不會大量排氣,讓空氣停留在回流水柱之間,對回流水柱起到緩沖作用,防止回流水柱彌合,因而消除彌合水錘。

本工程在管線穿越較高山體的高點均設置高速復合式雙口排氣閥組。

3 防充水水錘設計

充水水錘是指在長距離輸水管線中,由于管道上一次通水運行后,會在地勢較低的輸水管線中沉積大量水,在下一次通水時,輸水管線中快速流動的水,會對地勢較低的沉積水,產生巨大的沖擊力,從而對管道造成破壞。解決充水水錘的辦法就是控制充水速度,對于本工程重力流輸水系統,本次設計時將系統用檢修閥分成多段,在檢修閥旁并列設置旁通充水管道,充水管道的口徑宜為主管徑的1/4。

4 結論

通過以上的模擬計算及分析研究,可以看出本工程中主要可能發生的水錘為關閥水錘、彌合水錘、充水水錘。通過控制末端閥門的關閥時間保證在240s以上,可有效保護管道及附件不受關閥水錘影響；彌合水錘需設置復合式排氣閥解決,保證管道各種工況下可高速進出氣；防充水水錘主要依靠旁通充水管及人為控制充水量和流速控制解決。此三類水錘控制后,可有效緩解長距離(重力式)引水工程的水錘現象。

[1]朱滿林,沈冰,張言禾,王濤.長距離壓力輸水工程水錘防護研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2007(1)：40-43.

[2]鐘瑞.長距離輸水工程有關技術問題的探討[J].江西建材,2015(18)：134-134．