長距離引水管道供水系統水力過渡分析及防護研究

趙 娟，白 丹，白綿綿

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001；2.西安理工大學，陜西 西安 710048）

近年來，隨著城市的發展，長距離供水工程越來越多，很大程度上緩解了區域差異帶來的嚴重缺水問題，推動了經濟發展，隨之也出現了一些安全問題，引發不良后果，探究原因多是受之前認識水平的局限，很多供水工程沒有進行水力過渡分析，也沒有采取相應的防護措施，或者采取的防護措施不合理，因此分析水錘事故發生的原因，找出供水工程中存在的薄弱環節，并采取經濟合理的防護措施，切實保障供水工程的安全運行，顯得尤為迫切重要。

目前，大多數設計都是重點研究泵后出水管路系統的安全問題，多會在泵后設置調壓塔、液控緩閉止回閥、空氣閥、空氣罐等防護措施。對于長距離引水管道系統而言，由于泵前壓力較小，設計時常常會忽略泵前壓力變化情況，鮮有對泵前壓力管道系統方面的研究[1]，因此本文以榆林某泵站為例，研究長距離引水管路供水系統事故斷電水力過渡過程。。

1 基本理論

水力過渡中，描述管內非恒定流動的基本方程是連續方程和運動方程[2]。

運動方程式為：

式中：H 為管路節點水頭，m；f 為管路摩阻系數；V 為管內流速，m3/s，其正方向為流向閥門；α 為管路與水平面間夾角；a 為水錘波傳播速度，m/s；χ 為位置坐標，其正方向為指向閥門。

目前，廣泛采用特征線法將上述基本方程沿與計算節點相連的左右兩個特征線轉換成全微分方程，進而在時間步長上迭代求解。當遇到的節點是水泵、閥門、水庫、調壓塔、空氣閥、空氣罐等非管道節點時，建立節點的特征線方程，并將之與節點固有的邊界條件聯立求解。

2 工程實例

2.1 工程概況

以榆林某泵站進出水系統為研究對象，分析范圍為泵站5 臺大泵及其進出水系統。泵站從水庫取水，經1.3 km 壓力隧洞后，平行布設兩根DN2000 的供水鋼管，穿過河倒虹后，經1.4 km 爬坡進入泵站廠區，進入廠區后匯流為1 根DN2800 母管，進水支管與匯流母管以“T”型式取水，經水泵加壓后仍以“T”型匯為1 根DN2800 的匯流出水母管，從匯流出水母管上接2 根DN2000 的出水母管供水，經1.6 km 后進入999.44 m高程的1#隧洞。泵站系統示意圖見圖1。

圖1 泵站供水系統示意圖

泵站設計下水位969.00 m，最高下水位990.00 m，設計上水位999.44 m，設計流量9.61 m3/s，水泵額定流量2.83 m3/s，額定揚程34.50 m，額定轉速nr=590 r/min，額定效率90.40%，重力加速度g=9.8 m/s2，配套電機功率ND=1250 kW，機組轉動慣量J=422 kg·m2（水泵無水+ 電機空載），機組轉動慣性矩GD2=4J=4135.6 kgf·m2水泵性能參數見表1。

表1 水泵性能參數

水泵工頻運行時，比轉數為：

當下水位為990 m 時，5 臺大泵并聯至1 根DN2000 出水母管。水泵變頻運行，轉速n=488 r/min，比轉數為：

管線資料見表2。縱向管線見圖2。

表2 管線基本資料

圖2 管線縱向布置圖

2.2 不采取任何護措施水錘計算及分析

首先對事故停泵不采取任何防護措施進行計算分析，即假定泵后不關閥，沿程不設水錘防護設備或設施，以獲得水力瞬變過程，包括水泵機組的流量、壓力、轉速，系統各節點的流量、壓力、空氣容積等瞬變，從而為確定事故停泵水錘防護方案提供參考。

當水泵斷電后，管道中水流速度急劇減小并迅速倒流，由于出口閥門拒動，出水管道及出水池中水將向管道中倒流，引起機組倒轉。其中圖3 為水泵進口流量、壓力瞬變，閥門出口流量、壓力瞬變。

圖3 泵進口流量、壓力瞬變、閥門出口流量、壓力瞬變

經計算，機組自斷電后在22.0 s 出現倒流，27.1 s 出現倒轉，最大倒轉速725 r/min，為額定轉速的1.23 倍，大于額定轉速的1.2 倍[3]，且超過額定轉速的時間遠超過2 min，長時間高速倒轉會對機組造成損害，故必須關閉泵后閥門來改善機組倒轉。

圖4 管道壓力包絡線

由圖4 可知，系統整體升壓不大，但泵站出水壓力管道存在嚴重負壓，最大達當地汽化壓力。最大壓力出現在1+482 處，即倒虹最低點，Hmax=125.9 m，是此處工作壓力的1.24 倍。

2.3 泵后設置注氣微排閥水錘計算及分析

由不設任何防護措施的水力過渡結果可知，機組的最大倒轉與負壓都不滿足規范要求，對機組和管線危害較大，因此要合理關閉泵后閥門及設置空氣閥等措施降低負壓、控制倒轉。一般來說，泵后緩閉閥需要在系統出現倒流前完成快關，考慮閥門的實際操作，初定快關時間為8 s～16 s。

2 條管線分別在樁號1+166 處布置1 臺DN300 注氣微排閥，微排口徑5 mm，2 根出水母管共2 臺。泵后緩閉閥不同關閉規律對應的極值統計見表3。

表3 不同關閥規律對應極值統計

由表3 可知，除方案1 慢關速度過快導致負壓較大，其他各關閥方案對應最大正負壓無差別；閥門關閉越快，機組最大倒轉速越小。綜合考慮，推薦方案5。其對應的水力過渡計算結果見圖5。

圖5 泵進口流量、壓力瞬變、閥門出口流量、壓力瞬變

與無防護時類似，系統整體升壓不大，站前比站后升壓大。最大壓力出現在1+554 處，即倒虹最低點，Hmax=133.3 m，是此處工作壓力的1.32 倍。只在末端個別點存在較小負壓，Hmin=-1.4 m。防護結果滿足要求。

2.4 泵站前設置調壓塔水錘計算及分析

為減緩水泵進口壓力波動，擬在泵站前樁號0+604 處設置1 座雙向調壓塔，其余邊界條件不變，進一步研究調壓塔對壓力波動的影響。以控制工況（下水位969 m、4 泵2 管）為例，進行過渡過程分析。

調壓塔內徑D=5 m，高度H=43 m，進出水孔徑及連接管直徑DN1000 mm，連接管長度L=10 m。泵后液控閥15 s 關閉85%，90 s 關完。

圖6 泵進口流量、壓力瞬變，閥門出口流量、壓力瞬變

圖7 管道壓力包絡線

圖8 水泵轉速瞬變

圖9 調壓塔內水位瞬變

與不設調壓塔相比，水泵進口壓力波動周期拉長，振幅減小，波動變緩。機組最大倒轉速341 r/min，不超過額定轉速，且倒轉時間很短。水泵進口初始壓力20.8 m，最大壓力40.5 m，最小壓力11.2 m；閥門出口初始壓力57.5 m，最大壓力66.1 m，最小壓力25.4 m。調壓塔內最大水位42.0 m。

與不設調壓塔相比，泵站上游升壓較小。最大壓力出現在1+554 處，Hmax=112.4 m，泵站上游升壓較小。最大壓力出現在1+554 處，Hmax=112.4 m，是此處工作壓力的1.11 倍。只在末端個別點存在較小負壓，Hmin=-1.4 m。防護結果滿足要求。

經上述分析，設不設置調壓塔，防護結果都滿足規范要求。設置調壓塔后，壓力波動更為平緩，從經濟技術角度來講，在滿足安全可靠的供水條件下，泵站投資運行費用越低越好，因此從工程上出發，可不設調壓塔。

3 結語

本文基于HAMMER 軟件，在前人研究的基礎上，采用特征線法，對榆林某泵站進行了水力過渡分析，通過分析計算采用無防護措施和采用不同防護措施后水力過渡過程，對比泵站前設置調壓塔與否的水力過渡過程，提出設置調壓塔的必要性。經上述分析表明，盡管引水管路較長，只要合理關閉泵后緩閉閥，不一定要在站前設置調壓設施。