供水系統瞬變流分析及運行調節安全研究

袁 哲，周子旋

(揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

對于大型水廠供水系統，從水力特性和系統構成上看，揚程高、流量大、供水管線長、系統構成復雜且水力邊界條件復雜[1-3]，這些典型特點對供水系統的安全可靠運行及優化調度帶來了一系列問題，為保證工程在設計工況下穩定運行，需要對工程運行當中的水力過渡過程計算、水錘的安全防護以及運行安全調度進行深入研究。

關于供水系統中的瞬變流問題，國內已有相關的研究：劉竹溪等[4]對研究泵站系統水力過渡過程起到了重要的作用；黃時鋒等[5]、吳遠為等[6]研究了水泵失電工況出口閥關閉規律的優選，結果表明其能夠有效預防供水系統水擊破壞事故的發生；郭偉奇等[7]、周廣鈺等[8]研究了重力流輸水系統水錘防護措施的比較分析；冀健紅等[9]、李開來等[10]研究了加壓泵站輸水系統的停泵水錘防護措施。

基于以上研究成果，本文采取特征線法建立供水系統全線水錘計算模型，對不同水錘防護措施進行可行性分析，并提出合理的水錘防護措施，在確保供水工程安全運行的情況下，進行泵站運行調度的相關研究。

1 水力過渡過程計算數學模型

描述任意管道中水流運動狀態的基本方程為：

(1)

(2)

式中H——測壓管水頭；Q——流量；D——管道直徑；A——管道橫截面積；t——時間變量；a——水錘波速；g——重力加速度；x——沿管軸線的距離；f——摩阻系數；β——管軸線與水平面的夾角。

式(1)、(2)可簡化為標準的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉化成同解的管道水錘計算特征相容方程。

對于長度L的管道，如果分成N段，每一段的長度為Δx=L/N，并取計算時間步長為Δt=Δx/a，可以繪出x-t平面上的矩形網格見圖1。

圖1 x-t特征線網格示意

由此，可建立如下特征相容方程：

C+:HPi=Cp-BPQPi

(3)

C-:HPi=CM+BMQPi

(4)

式中，CP、CM、BP、BM是t-Δt時刻的已知量，分別為：

CP=Hi-1+BQi-1；CM=Hi+1-BQi+1

BP=B+R|Qi-1|；BM=B+R|Qi+1|

其中，B、R是常數，分別為：

在輸水管道系統的水力過渡過程計算時，一般從初始穩定運行狀態開始，并取此時為t=0，即此時對應的各參數值為初始已知值。式(3)、(4)均只有2個未知數參數，結合邊界條件即可求解。

2 工程概況

某大型水廠供水工程輸水管道管中心遠程線見圖2。圖中h、l分別為高程和距離泵后的長度。供水長度超過30 km，并聯3臺臥軸單級雙吸離心泵，單泵流量0.753 m3/s，水泵揚程為44 m，轉動慣量為200 kg·m2,額定轉速990 r/min，泵后設有液控蝶閥，出廠水通過泵房增壓后分2根管道，其中一根管徑DN 1000，管道接至調壓閥后支線；另一根管徑DN 1400，管道接至調流閥前清水總管。

圖2 輸水管道管中心高程線

依據《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》[11]，水錘防護措施的設計應保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.4倍最大工作壓力。對加壓輸水管道，事故停泵后的水泵反轉速度不應大于其額定轉速的1.2倍，且超過額定轉速的持續時間不應超過2 min。

系統管道沿線最大負壓原則性上不應超過-8.0 m。當采用調壓塔和空氣壓力罐進行負壓防護時，其水錘防護措施的選擇和設置應保證在各種工況下管道不出現負壓；當采用空氣閥進行負壓防護時，其管道負壓計算值不應超過-3.0 m。

3 供水系統水力過渡過程研究

3.1 控制工況水力過渡過程計算

針對供水系統典型供水工況、高日高時、均日均時3種工況，進行水力過渡過程計算研究。充分考慮水廠實際泵組情況，為達到供水系統日供水量規模的需求，合理選取控制工況，進行水力過渡過程校核計算。無水錘防護措施時，輸水管道沿程最小測壓管水頭線及水泵轉速變化過程曲線見圖3、4。

圖3 輸水管道沿程最小測壓管水頭線

圖4 水泵轉速變化過程線

水廠供水系統在控制工況下穩定運行突然失電的情況，系統最小內水壓力可達-10.0 m，供水系統中出現過大的負壓，導致水體汽化并可能產生彌合水錘，從而可能造成系統管道的破壞事故發生；另外，水泵出口閥拒動情況下的泵組最大反轉速超過了額定轉速值，可能發生水泵破壞事故。因此，應及時采取相關水錘防護措施，預防危險事故的發生。

3.2 水錘防護措施分析

從盡可能減小水泵事故失電情況下可能產生的水錘風險出發，水泵出口閥關閉規律推薦按照兩階段折線關閉，中間轉折點開度為15°，當不進行其他工程措施時，考慮不同關閉規律情況下的系統最小內水壓力差別不大，減小水泵出口閥的總關閉時間對于水泵最大反轉速是有利的[12-13]。

從水錘防護角度出發，探討合理、可行的水錘相關防護措施是非常有必要的。對長距離輸水管道來說，一般常見的水錘防護措施包括以下幾種[14-16]。

a)增大泵組轉動慣量。采用增大泵組轉動慣量的方式水錘防護效果較好，但一般在工程設計階段確定，對于已建工程，改造難度相對較大。

b)設置調壓塔。采用調壓塔進行水錘防護是一種較為可靠的水錘防護措施，在有壓輸水系統中比較多見，具有運行可靠性高、運行維護簡單等優點。對于高揚程供水系統來說，常規調壓塔的高度一般較高；實際工程中，如常規調壓塔的布置受限時，應結合工程實際情況，探討研究采用低位調壓塔的布設方案。

c)設置單向補水塔或高壓空氣罐方案。工程量相對較小，施工周期較短，但水廠水位相對較高時，系統水力過渡過程中如果空氣通過進排氣閥進入大體積空氣而未及時排出系統管道，隨后可能出現數值較大的含氣水錘，造成供水系統運行的風險。

d)設置進排氣閥。進排氣閥具有造價低、安裝方便等優點。在實際工程中，空氣進入管道系統中需要及時排出，未及時排出的氣體存在管道中，可能導致壓力較大的氣水錘的發生，危及系統的安全運行。

根據工程實際情況，將系統運行風險降低到最小，本文研究布設低位調壓塔方案：封閉水箱作為主室，下部通過連接管與支管連接，上部通過升管向上延伸并與大氣相通。模擬水廠泵組突然失電時水力過渡過程，水泵出口閥按照推薦規律關閉。

管道局部高點處布設低位調壓塔，輸水管道沿程測壓管水頭包絡線及水泵轉速、調壓室水位變化過程曲線見圖5、6。

圖5 輸水管道沿程測壓管水頭包絡線

圖6 水泵轉速及調壓室水位變化過程線

采用布設低位調壓塔的方案，供水系統最大最小內水壓力符合要求，泵組基本不發生反轉，調壓塔最低水位不發生漏空，有效解決和消除了水錘事故，滿足系統安全運行要求。

4 供水系統運行調度及安全研究

4.1 供水系統運行調度

降低供水系統的能耗，提高泵組運行的效率，實現供水系統優化調度，主要涉及水廠清水管線的接入點壓力以及水廠供水量的合理選取2個問題。為達到提高供水流量的目的，可以從降低水廠接入點壓力的角度出發，降低水泵正常運行的工作揚程。

4.1.1清水管線接入點控制壓力計算

根據泵站水泵并聯運行特性可知：當3臺水泵工頻并聯抽水運行時，揚程越小，水泵抽水量越大。因此，在清水池水位一定的情況下，水廠清水接入點的壓力越小，水泵抽水量越大。水廠清水接入點的壓力變化范圍可從以下2個方面估算。

a)水廠清水接入點壓力最大值。根據該水廠的供水能力和清水總管設計輸水能力，該水廠清水接入點壓力最大值為51.84 m左右。

b)水廠清水接入點壓力最小值。選取控制工況，模擬水廠單泵、兩泵、三泵工頻穩定抽水運行下，管道沿程測壓管水頭線分布(圖7)。

圖7 輸水管道沿程測壓管水頭包絡線

單泵、兩泵、三泵工頻運行情況下，水廠清水接入點測壓管水頭分別為45.1、47.7、49.1 m,以管道當中不出現負壓為控制指標，水廠清水接入點測壓管水頭應大于45.1 m。

4.1.2水廠3臺大泵工頻并聯運行最大供水量計算

當水廠3臺大泵工頻并聯運行，地區總需水量一定時，根據系統的實際布置情況，本文探討以下2種方案，來實現增大該水廠供水量的目的。

a)通過減小水廠分岔點前主管的電動蝶閥開度，降低水廠接入點的供水壓力，從而減小水廠增壓水泵正常運行時的工作揚程，提高泵組供水量。

b)通過同時調整分岔點后的電動蝶閥及調流閥，降低岔點供水壓力，增大泵站供水。

2種方案下閥門開度與供水量之間的關系見圖8、9，系統運行參數計算結果見表1、2。

圖8 方案1閥門開度與供水量之間的關系曲線

圖9 方案2閥門開度與供水量之間的關系曲線

表1 方案1系統運行參數計算結果

表2 方案2系統運行參數計算結果

當不考慮水廠供水系統泵組失電等水錘風險時，當系統需水量一定的情況下，通過以上2種方案，均可以提高水廠的供水規模。當兩閥門完全關閉，完全由該水廠來供水時，清水接入點壓力水頭為39.60 m，低于系統允許最小壓力；方案1閥門開度6.7°左右時，水廠清水接入點壓力水頭為45.54 m的系統允許最小壓力，水泵揚程為44 m，泵組運行效率最高；方案2電動蝶閥開度為5.0°、調流閥開度為4.5°時，水廠清水接入點壓力水頭為45.53 m的系統允許最小壓力，水泵揚程為44 m，泵組運行效率最高。

另需注意的是，對于以上2種方案，均需電動蝶閥參與系統流量的調節。在相同條件下，綜合考慮蝶閥開度、運行切換操作的方便性等因素影響，采用方案1減小水廠分岔點前主管的電動蝶閥開度的方案更合理。

4.2 最大供水量水力過渡過程校核計算

采用減小水廠分岔點前主管的電動蝶閥開度對水廠供水系統進行流量調節時，對應水廠最大供水流量下，按照本文推薦調壓塔布置方案，水力過渡過程計算校核結果見表3。

表3 水廠最大供水量情況下水力過渡過程計算

對于水廠最大供水量情況，水廠供水系統在控制工況下穩定運行突然失電的情況，若主管蝶閥拒動，調壓塔將出現漏空，且系統最小內水壓力出現較大的負壓值；若水廠泵組失電的同時開啟主管蝶閥(300 s以內達到全開)，系統最小內水壓力不會出現新的控制值，且調壓塔不發生漏空現象，系統運行的安全性可以得到有效保證。

5 結語

通過對某實際水廠供水工程進行水力過渡過程模擬，探討供水系統工程的安全運行與生產運行調度問題，得到以下結論。

a)在穩定運行突然失電情況下，對失事可能造成的后果，分析提出了采用布設低位調壓塔的水錘防護措施，保證了最小內水壓力、最大內水壓力、泵組最大反轉速及調壓塔最低涌波水位均能夠滿足安全運行要求。

b)綜合考慮蝶閥開度、運行切換操作的方便性等因素影響，采用減小水廠分岔點前主管的電動蝶閥開度方案可以提高水廠的供水量；對于水廠最大供水量情況，采用布設低位調壓塔的水錘防護措施，若水廠泵組失電的同時開啟調節閥(300 s以內達到全開)，系統最小內水壓力不會出現新的控制值，且調壓塔不發生漏空現象，系統運行的安全性可以得到有效保證。