郭偉奇，吳建華，李 娜，褚志超，張景望

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

為解決供水需求日益尖銳的矛盾，運用管路系統實現跨地區(qū)、跨流域的輸水工程解決是一種必然的發(fā)展趨勢[1]。重力流輸水管道具有水量損失少，運行維護方便等優(yōu)點。但受地形和其他建筑物的限制，往往會使管線起伏變化大，其輸水管線的安全防護問題是輸水工程中是最常見而又最突出的問題[2]。當末端閥門關閉過快，管道系統內很容易發(fā)生壓力劇烈升高和降低的水力瞬變現象，可能造成管道接頭斷開，破壞閥門，嚴重的造成管道爆裂或壓癟等危害。針對長距離有壓管道輸水及其水錘防護等問題國內外專家已有大量研究成果。Elliot等[3]結合韋納奇地區(qū)的城市供水系統根據瞬態(tài)模型試驗和現場試驗結果的對比，設計出了新的能夠更好的防止水錘的空氣閥；Streeter[4]提出了采用分段關閥規(guī)律來控制水錘對整個系統的影響，這種關閥規(guī)律現在已經在實踐中得到廣泛的應用；楊玉思，徐艷艷，羨巨智[5]對超壓泄壓閥在長距離管道輸水工程中的水錘防護作用進行了研究；高將等[6]對超壓泄壓閥和調壓塔兩種水錘防護措施的結構、工作原理、技術要點、邊界條件以及兩者的區(qū)別進行了分析研究，研究表明，超壓泄壓閥是防止管道壓力過大的有效措施，調壓塔既能降低壓力管路正壓又能消除管路負壓。

目前，在供水工程中重力流的水錘聯合防護措施研究較少。本文基于已有成果基礎上，以北方某供水工程重力流部分為例，進行水錘防護措施研究，以期其結果為工程的安全運行提供理論依據。

1 數學模型

1.1 水錘計算模型

管道系統水錘通常采用特征線法進行計算。水錘基本方程包括運動方程和連續(xù)方程[7]，如下：

(1)

(2)

式中：H為壓力水頭，m；x為位置坐標，m；v為流速，m/s；t為水錘發(fā)生時間，s；f為摩阻系數；D為管徑，m；α為管路與水平面夾角，°；a為水錘波速，m/s。

1.2 出口閥門邊界條件

穩(wěn)定流量情況下，通過出口閥門水頭損失計算如下[8]：

ΔH閥=CVQ2v|v|

(3)

1.3 超壓泄壓閥邊界條件

超壓泄壓閥是一種防止管道正壓過大的保護裝置。當供水系統由于水錘事故導致壓力升高到超過設定的允許值時，閥門自動開啟，以防止爆管事故發(fā)生。由連續(xù)性原理建立超壓泄壓閥的邊界條件[9]：

Hp1=Hp2=Hp3

(4)

Qp1+Qp2+Qp3=0

(5)

(6)

式中：Qp1、Qp2、Qp3分別為超壓泄壓閥上、下游及閥處的流量，m3/s；Hp1、Hp2、Hp3、H0分別為超壓泄壓閥上、下游、閥處及管外的壓力，m；Cd為流量系數；AG為泄流面積，m2。

2 案例分析

北方某供水工程由泵站提水和重力流輸水兩部分組成。本文以重力流部分為例進行分析。工程在設計運行工況時，上游水位為795.85 m，下游水位為744.6 m。輸水管線為13 680 m的球墨鑄鐵管，設計流量0.57 m3/s，管徑800 mm，管道末端設有調流閥，管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運行工況如圖1所示。由于工程地形起伏較大，輸水管線較長，且大部分輸水管道內壓超過80 m，根據經驗，管道接頭，管件連接處等容易出現故障，為保障輸水管線安全運行，應對該工程關閥水錘進行防護研究，以防止管道急劇升壓造成嚴重后果。

圖1 管道縱斷及穩(wěn)態(tài)運行壓力圖Fig.1 Pipeline longitudinal section and steady state operating pressure diagram

2.1 調流閥優(yōu)化

由于工程有壓輸水管線較長，若關閥時間過短會引發(fā)直接水錘，危害管線安全。關閥規(guī)律一般可分為：線性關閥、兩階段關閥。兩階段關閥是先較短時間內關閉較大角度，然后緩慢關閉剩余角度，已達到降低水錘壓力的效果。本研究針對線性關閥和兩階段關閥角度進行優(yōu)化。擬選用適應水錘控制多噴孔淹沒套筒式調流閥[10]進行調節(jié)，閥門全開時y=1，其特性如表1所示。

表1 水錘控制多噴孔淹沒套筒式調流閥特性表Tab.1 Water hammer control multi-hole submerged sleeve type flow regulating valve characteristic table

2.1.1 線性關閥

為探究線性關閥時間長短對水錘壓力的影響，以及計算管道壓力是否滿足規(guī)范要求。本研究以900、1 200、1 500 s完全關閥為例對水錘最大、最小壓力的影響進行分析。關鍵參數如表2所示，壓力水頭線如圖2所示。

表2 各關閥方案最大、最小壓力表Tab.2 Maximum and minimum pressure gauges for each valve closure

圖2 不同關閥時間壓力水頭過程線Fig.2 Pressure head envelope at different valve closing times

綜上可知，一階段關閥隨著關閥時間的延長，最大壓力降低明顯，最小壓力仍為完全真空壓力，但最小壓力包絡線整體上移，負壓長度減少。綜合考慮到隨著關閥時間延長所帶來的問題，比如，遇到緊急事故閥門不能快速響應，工程造價提高等，關閥時間是不能無限制延長，結合廠家給定資料，選定1 500 s關閥方案。

2.1.2 兩階段關閥

長距離重力流輸水管道末端閥門一般采用“兩階段關閉”，以達到有效消除負壓和降低正壓的效果，根據經驗：在關閉時間一定時，在合理范圍內增大第一階段關閉角度可以有效減小管路最大正負壓。通過大量數值模擬，10 s快關70°，1 490 s慢關20°為最優(yōu)關閥方案，壓力水頭線如圖3所示。

圖3 最優(yōu)關閉角度壓力水頭過程線Fig.3 Pressure head envelope at optimal valve closing angle

根據《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(guī)程》[11]，水錘防護措施設計應保證輸水管道最大水錘壓力不超過穩(wěn)態(tài)壓力的1.3～1.5倍，且小于管道的強度；以及分析是否產生彌合水錘。由圖3可知，最小壓力大于零，不會產生彌合水錘，滿足規(guī)范要求；最大壓力也有所下降，但仍不滿足規(guī)范要求(閥前壓力為67.1 m，穩(wěn)態(tài)壓力為21.87 m，其比值為3.07，大于1.3～1.5倍穩(wěn)態(tài)壓力)，因此需要進行正壓防護。

2.2 兩階段關閥與超壓泄壓閥聯合防護

2.2.1 兩階段關閥與一臺超壓泄壓閥聯合防護

在上述優(yōu)化兩階段關閥的基礎上增設超壓泄壓閥，其選型設置按經驗[11]：安裝在升壓管段處，公稱直徑按管徑的1/5～1/4 選定。因此，在45斷面設置一臺完全開啟壓力為84 m，口徑200 mm的超壓泄壓閥，壓力水頭線如圖4所示。

圖4 兩階段關閥與一臺超壓泄壓閥聯合防護壓力水頭過程線Fig.4 Two-stage shut-off valve and an overpressure relief valve jointly protect the pressure envelope

由圖4可知，設置一臺超壓泄壓閥聯合防護最小壓力大于零，滿足規(guī)范要求，最大正壓有所下降，閥前壓力為61.12 m，最大內水壓力為21.87 m，其比值為2.79，大于1.3倍最大內水壓力，不滿足規(guī)范要求，因此還需要繼續(xù)進行正壓防護。

2.2.2 兩階段關閉與兩臺超壓泄壓閥聯合防護

基于以上研究，在59斷面另設置一臺完全開啟壓力為40 m，口徑為200 mm的超壓泄壓閥，壓力水頭線如圖5所示。

圖5 兩階段關閥與兩臺超壓泄壓閥聯合防護壓力水頭過程線Fig.5 Two-stage shut-off valve and two overpressure relief valves jointly protect the pressure envelope

由圖5可知，設置一臺超壓泄壓閥聯合防護最小壓力大于零，滿足規(guī)范要求，閥前壓力為27.97 m，最大內水壓力為21.87 m，其比值為1.28，小于1.3倍最大內水壓力，滿足規(guī)范要求，兩階段關閥與兩臺超壓泄壓閥聯合防護措施可以有效地降低管路內的升壓水錘，能保證供水工程的安全運行。

3 結 語

長距離重力流輸水管道由關閥所引起的關閥水錘與關閥時間、角度有密切關系，合理優(yōu)化關閥規(guī)律可以很好的消除負壓、降低正壓，在通過優(yōu)化關閥規(guī)律始終無法使最大正壓滿足規(guī)范要求使，可采用與超壓泄壓閥聯合防護，合理設置超壓泄壓閥型號，可使正壓滿足規(guī)范要求，保證工程安全運行。

在該供水工程中，可采用末端兩階段關閥，其中關閥規(guī)律為10 s快關75°，1 490 s慢關15°，并在45斷面設置一臺完全開啟壓力為84 m，在59斷面另設置一臺完全開啟壓力為40 m，口徑均為200 mm的超壓泄壓閥，可消除負壓，且最大閥前壓力為最大內水壓力1.28倍，滿足規(guī)范要求，其研究成果以期為工程安全運行提供理論支撐。

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