長距離埋地壓力管道水錘計算分析

王 濤

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

長距離供排水工程中，由于沿線地形復雜，水力元件較多，運行過程中發(fā)生的水錘是威脅工程安全的重要因素。閥門的突然關(guān)閉或者是加壓泵站機組的突然停泵，會導致管道內(nèi)水流的急速變化，同時引起管內(nèi)壓強的急劇波動，甚至超過管道的承壓值，若不采用有效的防護措施，就會造成管道爆裂等水錘事故。因此長距離供排水管道系統(tǒng)工程中應充分考慮水錘對工程安全的影響，并對管路系統(tǒng)進行水錘防護設計。

本文以引江濟淮工程（安徽段）派河截污導流水質(zhì)保護工程主干線加壓段埋地管道為背景，通過瞬變流計算中常用的特征線法建立全系統(tǒng)的水力過渡過程水力模型，提出系統(tǒng)水錘作用引起的非正常運行最不利參數(shù)，并采用有效的水錘防護措施，得出一系列有意義的結(jié)論。

2 工程背景

2.1 工程概況

引江濟淮工程（安徽段）派河截污導流水質(zhì)保護工程是引江濟淮工程的重要組成部分，排水管線跨蜀山、高新、經(jīng)開、濱湖、肥西縣等區(qū)域。工程具有距離長、投資大、難度高等特點，其建成不僅有效保障了引江濟淮派河清水廊道，同時還解決了西部城區(qū)大部污水集中排放問題，奠定合肥西部排水總體格局，對合肥市長遠發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

輸水工程線路總長55.0km，全部采用地面管道形式，其中主干線加壓段管道全長約9km，該段由加壓泵站提水至調(diào)壓池，泵站設計規(guī)模近期約為50萬t/d，遠期80 萬t/d，采用埋地DN2200 的玻璃鋼夾砂管，雙管敷設，近期一用一備。近期6 臺加壓泵，5 用1 備；管道承壓值暫取1.0MPa，遠期9 臺加壓泵，8 用1 備。

2.2 計算原理

水錘計算是對整個系統(tǒng)進行計算分析，包括管道內(nèi)點及與管道連接的水池、閥門及其他過流元件。在水錘計算中，對于管道系統(tǒng)內(nèi)點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續(xù)方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了便于計算機計算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)化為水錘全微分方程：

圖1 x-t 坐標系中的水錘特征線圖

有限差分方程式的推導分別是從A、B點沿C+、C-積分到P點，則A點的H由HA變?yōu)镠P，Q由QA變?yōu)镼P，B點的H由HB變?yōu)镠P，Q由QB變?yōu)镼P，可得近似簡化積分式為：

式中：Δx=αΔt。利用以x、t為坐標的矩形網(wǎng)格來描述水錘計算的過程。如圖2 所示，將管路劃分為N個間距均為Δx的步段，斷面排列序號用i表示，管路始端斷面i=1，終端斷面i=N+1，計算時段則為。相容性方程中的角標A、B分別用序號角標“i-1、i+1”代替，P點則用角標“Pi”代替。角標變動后，式（2）、式（3）的簡化式可改寫為：

圖2 簡化差分公式的矩形網(wǎng)格圖

解上述方程可得：

其中：

參數(shù)B、R和綜合參數(shù)Cp、CM可在可計算時段開始時先算出。式（6）、（7）也可寫為：

從式（6）到式（9）便是水錘分析中編入計算機程序的相容性方程。當各點初始狀態(tài)時的Q、H值和邊界點的條件方程已知時，可根據(jù)前一時段t0時刻已知的Q、H值，用式（8）或式（9）求出后一時段t0+Δt時的Q、H值。

3 水錘計算與分析

3.1 管道穩(wěn)定流工況下水錘計算

管道穩(wěn)態(tài)運行壓力線如圖3。

圖3 管道穩(wěn)態(tài)運行壓力線圖

3.2 管道非穩(wěn)定流工況下水錘計算

該工程主干線加壓段采取復合排氣閥配合箱式雙向調(diào)壓塔的形式預防水錘，全線共設置10 座復合排氣閥，并在靠近起點泵站出口100m 的位置設置一座雙向調(diào)壓塔。以該段近期50 萬t/d 規(guī)模為例，針對管道的水泵出口處閥門不同快慢關(guān)閥時間及角度時的管道水錘升壓進行具體分析計算，如圖4。

圖4 水泵閥門不同快慢關(guān)閉時間及角度時水錘壓力線圖

3.3 分析與結(jié)論

由水泵出口閥門不同快慢關(guān)時間及角度時水錘壓力線中圖4 可以得到如下結(jié)論：①指定樁號處安裝復核排氣閥和箱式雙向調(diào)壓塔，當多功能水泵控制閥的快關(guān)時間是5～8s，快關(guān)角度是60°～70°，總關(guān)時間是40～100s 時，管段的水錘升壓基本都降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯，且管道中不出現(xiàn)斷流空腔。②由于管道中的水錘壓力明顯降至承壓以內(nèi)，水泵出口閥門不同的快慢關(guān)時間和角度對管道中的壓力幾乎沒有影響。

4 結(jié)論和建議

通常預防水錘的方式有：在水泵出口安裝可以緩閉的止回閥；按規(guī)定設置一定量的排氣閥；在水泵出口及管道重要部位設置具有超壓泄壓或者防斷流功能的設備。

判斷水錘的危害程度及采取的水錘防護措施都要以相應的停泵水錘為計算基礎，才能更好地、更經(jīng)濟地解決長距離加壓供排水工程中的水錘防護問題。

本工程選擇采用復核排氣閥配合箱式調(diào)壓塔的方式降壓效果明顯，水泵出口閥門不同總關(guān)時間對管道壓力影響很小，管道壓力安全穩(wěn)定，達到了有效防護管道水錘升壓的作用，為同類的供排水工程的設計和安全運行提供了參考■