王保慶 李青坤 鄒建偉

(濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山東 濟(jì)南 250013)

淺析長(zhǎng)距離輸水管道停泵水錘的簡(jiǎn)易算法及防護(hù)

王保慶 李青坤 鄒建偉

(濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山東 濟(jì)南 250013)

南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫(kù)輸水工程采用水錘壓力簡(jiǎn)易算法對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理比選，并計(jì)算了泵站停泵水錘的最大特征值及特征樁號(hào)，為管道水錘防護(hù)措施提供依據(jù)，在實(shí)踐中取得了良好的效果，具有一定的理論與實(shí)踐意義。

長(zhǎng)距離供水管道； 停泵水錘； 簡(jiǎn)易算法； 防護(hù)措施

在長(zhǎng)距離輸水管道工程運(yùn)行過(guò)程中，水錘對(duì)輸水管道的危害很大，往往會(huì)產(chǎn)生爆管問(wèn)題，尤其是管線(xiàn)起伏大、地形復(fù)雜的管道。近年來(lái)我國(guó)長(zhǎng)距離輸水工程逐年增多, 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道停泵水錘的計(jì)算以及防護(hù)是設(shè)計(jì)人員亟需解決的問(wèn)題[1-2]。本文結(jié)合南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫(kù)輸水工程，闡述了對(duì)停泵水錘的計(jì)算及防護(hù)。

1 工程概況

濟(jì)平干渠賈莊分水閘至臥虎山水庫(kù)輸水線(xiàn)路，全長(zhǎng)29.62km，其中賈莊提水泵站至羅而莊加壓泵站輸水線(xiàn)路長(zhǎng)14.40km，羅而莊加壓泵站至寨而頭加壓泵站輸水線(xiàn)路長(zhǎng)9.80km，寨而頭加壓泵站至放水洞輸水線(xiàn)路長(zhǎng)5.40km。所經(jīng)線(xiàn)路地貌類(lèi)型為黃泛沖積平原(0+000～4+000段)、山前傾斜平原(4+000～12+020段)及低山丘陵(12+020～29+618段)，管道沿程敷設(shè)方式均為直接地埋式，輸水流量3.47m3/s，管材選用鋼套筒管和螺旋鋼管，其中鋼管管徑為DN1600，壁厚14mm，部分管段壁厚為20mm。設(shè)計(jì)管道的最小管頂覆土深度為1.50m，管道穿越河溝、公路等地段時(shí)，管頂覆土厚度不小于2m。工程主要任務(wù)是調(diào)引長(zhǎng)江水、黃河水進(jìn)入臥虎山水庫(kù)及直接向用水戶(hù)供水，解決濟(jì)南市區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺狀況，優(yōu)化供水體系，有效利用水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容，提高供水保證率，適應(yīng)和滿(mǎn)足濟(jì)南社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人民生活水平及改善投資環(huán)境的需要，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

2 水錘簡(jiǎn)易計(jì)算法

關(guān)于事故停泵過(guò)程中最不利參數(shù)的計(jì)算,通常有電算法和圖解法，電算法利用電子計(jì)算機(jī)解析泵站水錘問(wèn)題,雖然具有較高精度,但是,計(jì)算方法煩冗、費(fèi)時(shí)；圖解法方法非常不便，為此不少學(xué)者和工程技術(shù)人員利用大量計(jì)算成果，繪制出各種計(jì)算圖表，大大簡(jiǎn)化了水錘計(jì)算，這就是所謂的水錘簡(jiǎn)易計(jì)算法[3]。

2.1 帕馬金簡(jiǎn)易計(jì)算法

美國(guó)工程師J.帕馬金最早提出了一組基于圖解曲線(xiàn)的簡(jiǎn)易計(jì)算法，使計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化[4]，如圖1所示。

圖1 帕馬金水錘圖解曲線(xiàn)

圖解方法是先求出管道特性參數(shù)2ρ、水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣性系數(shù)K和水錘波在管道中往返一次需要的時(shí)間2L/a，然后求出乘積K×2L/a，即可在曲線(xiàn)的縱坐標(biāo)上查出水泵出口處的最大降壓和最大升壓、管道中點(diǎn)的最大降壓和最大升壓等一系列數(shù)據(jù)。其中：

a.水錘波波速。

式中a——水錘波的傳播速度，m/s；

k——水的彈性模量，k=2.06×109Pa，鑄鐵管k=9.80×1010Pa，鋼管k=20.60×1010Pa；

E——管材彈性模量，Pa；

D——水管的公稱(chēng)直徑，mm；

δ——管壁厚度，mm。

b.管道常數(shù)。

2ρ=av0/gh0

式中v0——水泵額定工況下管中流速，m/s；

h0——水泵額定工況下的揚(yáng)程，m。

c.機(jī)組慣性系數(shù)。

K=182.5N0/

式中K——水泵慣性系數(shù)；

N0——水泵額定工況下的軸功率；

n0——水泵額定轉(zhuǎn)速；

GD2——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩。

估算水泵出口裝有逆止閥的停泵水錘值時(shí)，可用圖1求出水泵出口處和管道中點(diǎn)處的最大降壓值，然后將其絕對(duì)值分別加于水泵處和管道中點(diǎn)處的靜水頭，從而得出逆止閥關(guān)閉時(shí)，水泵處和管道中點(diǎn)處的最大升壓值。

2.2 福澤清治簡(jiǎn)易計(jì)算法

日本工程師福澤清治根據(jù)電子計(jì)算機(jī)數(shù)百種水錘解析資料歸納出計(jì)算曲線(xiàn)圖。該計(jì)算方法是考慮了管道的阻力損失及長(zhǎng)管道系統(tǒng)可能產(chǎn)生水柱分離的事故停泵水錘的簡(jiǎn)易計(jì)算法，采用Kμ為橫坐標(biāo)(K為水泵的慣性系數(shù)，μ為水錘相)，采用水錘過(guò)程中最低降壓水頭(即實(shí)際產(chǎn)生的最低壓力水頭與水泵額定揚(yáng)程之比)和開(kāi)始倒流的相對(duì)時(shí)間γ(實(shí)際時(shí)間與水錘相時(shí)間μ之比)為縱坐標(biāo)繪制而成，并以管路水頭損失占水泵工作揚(yáng)程的0%、20%、40%、60%、80%這五種情況分別考慮[4]。計(jì)算曲線(xiàn)圖如圖2～圖6所示。

圖2 福澤清治水錘圖解曲線(xiàn)(管路損失htp=0%)

圖3 福澤清治水錘圖解曲線(xiàn)(管路損失htp=20%)

圖4 福澤清治水錘圖解曲線(xiàn)(管路損失htp=40%)

圖5 福澤清治水錘圖解曲線(xiàn)(管路損失htp=60%)

圖6 福澤清治水錘圖解曲線(xiàn)(管路損失htp=80%)

3 工程案例分析

南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫(kù)輸水工程，供水規(guī)模3×105m3/d，管材為PCCP和鋼管，管徑1600mm，管厚14mm，管道內(nèi)流速1.73m/s。

3.1 水錘計(jì)算

在可行性研究階段，該工程有兩個(gè)方案，現(xiàn)采用帕馬金簡(jiǎn)易算法對(duì)這兩個(gè)方案的停泵水錘進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 方案一：二級(jí)提水

表2 方案二：三級(jí)提水

表1和表2可以看出：方案一的停泵水錘過(guò)大，對(duì)管道的強(qiáng)度要求太高，且容易造成事故，為避免停泵水錘對(duì)工程造成嚴(yán)重的影響，該工程采用三級(jí)提水的方案二。

由于帕馬金圖解法沒(méi)有考慮到管道的阻力損失以及長(zhǎng)管道系統(tǒng)可能產(chǎn)生水柱分離的事故停泵水錘，其計(jì)算結(jié)果可能無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)于安全的需要，工程采用日本福澤清治簡(jiǎn)易算法對(duì)管路的最大水錘壓力進(jìn)行計(jì)算，并與帕馬金簡(jiǎn)易算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，由帕馬金簡(jiǎn)易算法得出的最大水錘壓力值明顯大于福澤清治簡(jiǎn)易算法，工程的水錘防護(hù)以帕馬金簡(jiǎn)易算法的特征值為準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，該工程的三段管線(xiàn)的水錘壓力線(xiàn)如圖7～圖9所示。

圖7 賈莊泵站至羅而莊泵站水錘壓力線(xiàn)

圖8 羅而莊泵站至寨而頭泵站水錘壓力線(xiàn)

圖9 寨而頭泵站至臥虎山水庫(kù)放水洞水錘壓力線(xiàn)

3.2 水錘防護(hù)措施

a.為避免停泵水錘對(duì)工程造成嚴(yán)重的影響，通過(guò)采用三級(jí)加壓供水有效降低最大水錘壓力。

b.在綜合考慮地形以及投資的情況下，根據(jù)水錘壓力分布線(xiàn)選用不同壓力等級(jí)的管材,見(jiàn)表4。

表4 管材選擇

c.選用兩階段關(guān)閉的液壓操作液控緩閉偏心半球閥，在泵站突然停電或事故停泵時(shí)，既防止大量水回流造成水泵快速反轉(zhuǎn)，又能防止水錘產(chǎn)生造成的破壞。

d.在管線(xiàn)最大水錘壓力出現(xiàn)的特征樁號(hào)布置水錘泄放閥門(mén)井，如圖10～圖12所示。

圖10 賈莊至羅而莊泵站段水錘泄放閥門(mén)井

圖11 羅而莊泵站至寨而頭泵站段水錘泄放閥門(mén)井

圖12 寨而頭泵站至臥虎山水庫(kù)放水洞段水錘泄放閥門(mén)井

e.在管道的隆起點(diǎn)上和主要交叉建筑物的進(jìn)出口端，設(shè)置能自動(dòng)進(jìn)氣和排氣的彌合水錘預(yù)防閥，用以排除管內(nèi)積聚的空氣；在管道需要檢修、放空時(shí)進(jìn)入空氣，保持排水通暢；產(chǎn)生水錘時(shí)可使空氣自動(dòng)進(jìn)入，避免產(chǎn)生負(fù)壓。

4 結(jié) 語(yǔ)

在水錘防護(hù)措施上，本文依據(jù)帕馬金簡(jiǎn)易算法得出的管線(xiàn)沿程水錘壓力線(xiàn)選用不同壓力等級(jí)的管材，在保證工程安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，有效減少了工程投資；在最大水錘壓力出現(xiàn)的特征樁號(hào)布置了水錘泄放閥，確保了工程的安全運(yùn)行。為此類(lèi)長(zhǎng)距離、高揚(yáng)程大型輸水工程中水錘問(wèn)題的解決提供了有益參考。

[1] 楊玉思，徐艷艷，羨巨智.長(zhǎng)距離高揚(yáng)程多起伏輸水管道水錘防護(hù)的研究[J].給水排水，2009(4).

[2] 金錐,姜乃昌,王興華.停泵水錘及其防護(hù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[3] 劉竹溪，劉光臨.泵站水錘計(jì)算[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1988.

[4] 丘傳忻.泵站[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

Analysis on the simple algorithm and protection of long-distance water conveyance pipeline pump-stopping water hammer

WANG Baoqing, LI Qingkun, ZOU Jianwei

(JinanWaterConservancyConstructionSurveyandDesignInstitute,Ji’nan250013,China)

In the paper, water hammer pressure simple algorithm is adopted in the Jiazhuang-to-Wohushan Reservoir Water Conveyance Project of South-to-North Water Diversion Project. The project design plans are rationally selected. The maximum characteristic value and characteristic pile number of pump-stopping water hammer in pumping station are calculated, thereby providing basis for pipeline water hammer protective measures. Good effect is achieved in practice with certain theoretical and practical significance.

long distance water supply pipeline; pump-stopping water hammer; simple algorithm; protective measures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.009

TV672+.2

A

1005-4774(2017)03- 0031- 09