基于供水工程中重力流的水錘聯合防護措施研究

趙曉磊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

跨流域、跨地區的輸水工程為解決日益尖銳的供水需求矛盾的必然發展趨勢，重力流輸水管道在管路系統中具有運行維護方便、水量損失少等優點。然而，管線受其他建筑物和地形條件限制，通常存在較大的變化起伏，輸水工程中最突出、最常見的問題為如何實現輸水管線的安全防護。管道末端閥門關閉過快很容易引起水力瞬變現象，系統內壓力的劇烈降低和升高極易造成閥門破壞、管道接頭斷開，甚至引起管道壓癟或爆裂等問題[1〗。國內外專家關于水錘防護和長距離有壓管道輸水問題開展了大量研究，如Streeter等針對整個供水系統受水錘的影響提出分段關閥規律控制法，在許多工程實踐中這種關閥規律得到普遍的應用；Elliot等結合現場試驗和瞬態模擬試驗結果，依據韋納奇地區的城市供水系統提出了能夠較好的防止水錘的空氣閥；楊玉思等[2〗在長距離管道輸水工程中研究了超壓泄壓閥的水錘防護作用；高將等[3〗研究分析了調壓塔和超壓泄壓閥水錘防護措施的邊界條件、技術要點、工作原理及其結構特征，通過對比兩者的區別提出有效防止管道壓力過大的措施為超壓泄壓閥，能夠同時消除管路負壓和降低壓力管路正壓的措施為調壓塔。

當前，考慮水錘聯合防護措施的重力流供水工程的研究不多，文章結合現有研究資料和理論成果，以北方某供水工程為例，對重力流部分的聯合超壓泄壓閥、兩階段關閥和線性關閥多種防護措施，運用計算機仿真技術進行模擬研究，以期為重力流水錘聯合防護提供一定參考。

1 數學模型

1.1 水錘計算模型

特征線法為計算管道系統水錘的常用方法，主要包括連續和運動方程[4]，表達式分別為：

(1)

(2)

式中：x、H、D分別為位置坐標、壓力水頭和管徑，m；v、a分別為流速和水錘波速，m/s；f、t分別為摩阻系數和水錘發生時間；α為水平面與管路之間的夾角，°。

1.2 邊界條件

1) 出口閥門邊界條件。在流量穩定的條件下，采用下式計算出口閥門徑流的水頭損失[5]，即：

ΔH閥=CvQ2v|v|

(3)

式中：Cv、ξ為閥門的阻力特性系數和流阻系數；AV、Q為閥門開度面積及其流量，m2、m3/s。

2) 超壓泄壓閥邊界條件。為防止管道正壓力過大通常采用一種超壓泄壓閥保護裝置，當水錘事故引起供水系統壓力急劇升高時，為防止發生爆管事故閥門會自動開啟。超壓泄壓閥邊界條件根據連續性原理可設定為如下形式[6]，即：

Hp1=Hp2=Hp3

(4)

Qp1+Qp2+Qp3=0

(5)

(6)

式中：H0、HP1、HP2、HP3分別為超壓泄壓閥管外、上、下游及閥處壓力，m；Qp1、Qp2、Qp3分別為超壓泄壓閥上、下游及閥處流量，m3/s；AG、Cd分別為泄流面積和流量系數，m2。

2 實例應用

重力流輸水和泵站提水為某供水工程的主要構成，文章對重力流部分的多種防護措施運用計算機仿真技術進行模擬研究。在運行工況設計過程中，球磨鑄鐵輸水管線長13520m，管徑0.8m、設計流量0.58m3/s，上、下游水位為790.25、742.10m，調流閥設置在管道末端。管道穩態運行及縱斷壓力圖，見圖1。由于大部分輸水管道內壓>80m且工程地形存在較大起伏變化，加之輸水管線較長使得管件連接、管道接頭等易發生故障，為防止管道急劇升壓并保障管線的安全運行，有必要開展關閥水錘的防護措施研究。

圖1 管道穩態運行及縱斷壓力圖

2.1 調流閥優化

若關閥時間較短，則較長有壓輸水管線會直接產生水錘，由此對管線安全造成危害。一般情況下，關閥規律分為線性與兩階段關閥，其中兩階段關閥是先將較大角度在短時間內關閉，然后對剩余角度緩慢關閉，從而達到水錘壓力降低的目的[7]。優化兩階段和線性關閥為文章的研究重點，輸水系統的調節選用淹沒套筒式多噴孔水錘控制調流閥。淹沒套筒式多噴孔水錘控制調特性，見表1。

表1 淹沒套筒式多噴孔水錘控制調特性

1) 線性關閥。為確定管道壓力是否符合規范要求并揭示水錘壓力受線性關閥時間變化的影響規律，文章以完全關閥時間1600、1300、1000s為例，探討最小、最大水錘壓力的變化特征。壓力水頭過程線在不同關閥時間下的變化特征，見圖2；水錘最小、最大壓力值，見表2。

圖2 壓力水頭過程線在不同關閥時間下的變化特征

線性關閥最小壓力/m最大壓力/m1000s195.26-9.96關閥時間1300s180.05-9.961600s162.81-9.96

綜上分析，隨著關閥時間的增加一階段關閥最大壓力明顯減少，完全真空壓力仍為最小壓力，負壓長度減少且包絡線總體上移。各種問題隨關閥時間的增加逐漸顯現，如工程造價增大以及閥門遇緊急事故的響應時間延長等，根據廠家給定的相關資料合理設定關閥延長時間，選定1600s關閥時間作為調流閥優化方案[8-10]。

2) 兩階段關閥。為降低重力流輸水管道正壓和有效消除負壓的效應，“兩階段關閉”管道末端閥門為較常用的方法[11]。結合實踐經驗，在給定關閉時間的情況下，將第一階段關閉角度增大至合理范圍，可有效降低長距離輸水系統的最大正負壓。根據數值模擬結果，最優關閥方案為1580s慢關20°、20s快關70°，觀察壓力水頭線在最優關閉角度下的走勢。最優關閥方案的壓力水頭線，見圖3。

圖3 最優關閥方案的壓力水頭線

根據相關技術標準和輸水管設計規范，城市供水管道最大水錘壓力在水錘防護措施設計中應<管道強度，且≤穩態壓力的1.3-1.5倍，還要對彌合水錘形成條件進行分析。從圖3可以看出，最小壓力>0滿足規范要求，可避免彌合水錘的形成；雖然最大壓力呈現出下降趨勢，但閥前和穩態壓力比為3.06，超高1.3-1.5倍的要求，因此不符合規范要求應進行正壓防護[12]。

2.2 超壓泄壓閥與兩階段管閥的聯合防護

1)一臺超壓泄壓閥與兩階段關閥的聯合防護。將超壓泄壓閥引入至兩階段關閥優化方案中，根據工程經驗設置選用：以管徑的1/4-1/5設定公稱直徑，在升壓管段處安裝超壓泄壓閥。所以，將口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設置在46斷面處，一臺超壓泄壓閥與兩階段關閥的聯合防護的壓力水頭線，見圖4。

圖4 一臺超壓泄壓閥與兩階段關閥的

從圖4可以看出，通過設置超壓泄壓閥可降低最大正壓力，該聯合防護措施的最小壓力>0能夠符合技術規程要求，而閥前與最大內水壓之比為2.75，仍不滿足1.3-1.5倍的要求，所以仍需采取防護措施。

2)兩臺超壓泄壓閥和兩階段關閉的聯合防護[13]。根據上述結論和成果，將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設置在58斷面處，兩臺超壓泄壓閥與兩階段關閥的聯合防護的壓力水頭線，見圖5。

圖5 兩臺超壓泄壓閥與兩階段關閥的

從圖5可以看出，通過設置兩臺超壓泄壓閥可降低最大正壓力，該聯合防護措施的最小壓力>0能夠符合技術規程要求，而閥前與最大內水壓之比為1.26，滿足1.3-1.5倍的要求。可見，兩臺超壓泄壓閥與兩階段關閥防護措施能夠保證長距離輸水管道的安全運行，可明顯降低供水管線的升壓水錘。

3 結 論

關閥引起的關閥水錘、角度、時間與長距離重力流輸水管道之間存在關聯作用，通過對關閥規律的合理優化能夠較好的降低管道正壓、消除復雜。針對關閥規律優化調整仍不能達到技術規程要求的情況下，可通過合理設置超壓泄壓閥保證供水系統的安全運行，使其正壓符合規程要求。

在該長距離供水系統中，結合數值模擬結果選定末端兩階段關閥方式，最優關閥方案為：1580s慢關20°、20s快關70°，口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設置在46斷面處，將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設置在58斷面處。該聯合防護措施的最小壓力>0能夠符合技術規程要求，而閥前與最大內水壓之比為1.26，滿足1.3-1.5倍的要求，研究成果可為保證上距離輸水管道的安全運行和降低管道升壓水錘提供一定決策依據。