王 煒（太原市水利技術(shù)推廣服務(wù)站）

1 工程概況

保德縣引黃灌溉工程位于山西省保德縣黃河左岸，從天橋水電廠水利樞紐左壩段取水。天橋電站水利樞紐位于黃河中游，距保德縣城8 km，左岸為山西省保德縣，右岸為陜西省府谷縣。天橋水利樞紐由攔河壩、河床式電站、泄流底孔、表孔、排沙洞、下游消能設(shè)施、開關(guān)站等組成，水庫總庫容0.70億m3，電站總裝機(jī)容量為29.80 萬kW（除險(xiǎn)加固后），工程為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。引黃灌溉工程取水口為樞紐的主要建筑物，建筑物級別同電站廠房和泄水建筑物，為3 級建筑物。引黃灌溉工程從天橋水利樞紐左岸壩段取水，到花園止，由引水線路、提水泵站以及灌區(qū)配套工程三部分組成。引水線路全長20.66 km，主要沿黃河左岸布設(shè)，其中隧洞0.80 km（洞內(nèi)布設(shè)管線），管材為壓力鋼管。花園提水灌溉一、二級泵站均建設(shè)在沿黃左岸，泵站站址一級泵站建在黃河河漫灘上。

2 重力流輸水管道關(guān)閥水錘仿真計(jì)算

2.1 引水管線重力流水錘計(jì)算工況及參數(shù)確定

自流部分由于沿管線流量一直變化，考慮到計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算及未來系統(tǒng)運(yùn)行的水力調(diào)度及自動化控制，供水管道水錘計(jì)算參數(shù)工況詳見表1。

表1 供水管道水錘計(jì)算工況及參數(shù)表

2.2 流量Q1=0.34 m3/s，引水閥關(guān)閉水錘仿真計(jì)算

重力流當(dāng)流量Q1=0.34 m3/s 時(shí)引水閥關(guān)閉水錘計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算成果見表2。

表2 重力流流量Q1=0.34 m3/s的引水閥關(guān)閉水錘計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算成果表

以上計(jì)算結(jié)果，重力流當(dāng)流量Q1=0.34 m3/s 時(shí)，關(guān)閥指數(shù)為1 的各個工況條件下計(jì)算出的最大壓力均未超過穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.50 倍（13.05 m），偏于安全，關(guān)閥指數(shù)為1.50 時(shí)，關(guān)閥時(shí)間為150 s時(shí)最大壓力略大于穩(wěn)態(tài)壓力的1.50倍，關(guān)閥時(shí)間為180 s、200 s、250 s時(shí)均未超過?，F(xiàn)列出設(shè)計(jì)流量Q1=0.34 m3/s，摩租為0.19×10-1、關(guān)閥指數(shù)為1、關(guān)閥時(shí)間為250 s 時(shí)的各參數(shù)關(guān)系見圖1～3。

圖1 各時(shí)刻閥前斷面流量圖

圖2 各時(shí)刻閥前斷面壓力圖

圖3 最大、最小壓力包絡(luò)線圖

2.3 流量Q2=0.75 m3/s，引水閥關(guān)閉水錘仿真計(jì)算

重力流流量Q2=0.75 m3/s時(shí)引水閥關(guān)閉水錘計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算成果見表3。

以上計(jì)算結(jié)果，重力流當(dāng)流量Q2=0.75 m3/s 時(shí)，各個工況條件下計(jì)算出的最大壓力均未超過穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.50 倍（13.05 m），但最小壓力偏小，管路中存在負(fù)壓?，F(xiàn)列出最大流量Q2=0.75 m3/s 時(shí)，摩阻為0.19×10-1、關(guān)閥指數(shù)為1、關(guān)閥時(shí)間為330 s時(shí)的各參數(shù)關(guān)系見圖4～6。

圖4 各時(shí)刻閥前斷面流量圖

圖5 各時(shí)刻閥前斷面壓力圖

圖6 最大、最小壓力包絡(luò)線圖

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果

當(dāng)重力流當(dāng)流量Q1=0.34 m3/s，摩阻系數(shù)為0.19×10-1時(shí)，關(guān)閥指數(shù)為1 的各個工況條件下計(jì)算出的最大壓力均未超過穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.50倍，偏于安全，關(guān)閥指數(shù)為1.50時(shí)，關(guān)閥時(shí)間為150 s時(shí)最大壓力略大于穩(wěn)態(tài)壓力的1.50倍，關(guān)閥時(shí)間為180s、200 s、250 s時(shí)均未超過。建議在Q1=0.34 m3/s下，摩阻系數(shù)取0.19×10-1、關(guān)閥指數(shù)取1、關(guān)閥時(shí)間取250 s左右即可滿足要求。

表3 流量Q2=0.75 m3/s引水閥關(guān)閉水錘計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算成果表

當(dāng)重力流當(dāng)流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系數(shù)為0.19×10-1時(shí)，各個工況條件下計(jì)算出的最大壓力均未超過穩(wěn)態(tài)工況壓力的1.50倍，但最小壓力偏小，管路中存在負(fù)壓，不滿足計(jì)算要求。

3 重力流輸水管道關(guān)閥水錘防護(hù)

3.1 關(guān)閥水錘防護(hù)方案

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用進(jìn)排氣閥進(jìn)行系統(tǒng)的安全防護(hù)?？紤]到本工程的實(shí)際情況，按照規(guī)范要求，建議在重力流當(dāng)流量Q2=0.75 m3/s管線中加10個型號為DN100進(jìn)排氣閥，具體位置編號見表4。

表4 第三段進(jìn)排氣閥成果表

添加進(jìn)排氣閥后的最小壓力值在各個計(jì)算工況條件下均可滿足要求。因此建議在系統(tǒng)最不利工作環(huán)境下，即：重力流當(dāng)流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系數(shù)取0.19×10-1、關(guān)閥指數(shù)取1，引水閥的關(guān)閥時(shí)間取330 s左右即可滿足要求。

3.2 泵站管道水力過渡過程仿真計(jì)算

在泵出口閥門拒動作（閥門不關(guān)閉）工況、泵出口蝶閥優(yōu)化關(guān)閉工況、泵出口蝶閥加排氣閥聯(lián)合防護(hù)工況四種工況下對管道水錘壓力進(jìn)行分析計(jì)算，由于工程設(shè)計(jì)中根據(jù)管道壓力分別布置了不同壓力等級的管道，對各管段內(nèi)可能出現(xiàn)的最大壓力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果見表5。

結(jié)果表明，泵站工程壓力管線設(shè)計(jì)中采用了一定數(shù)量的進(jìn)排氣閥，在很大程度上可以對壓力管路的安全起到防護(hù)作用，模擬計(jì)算說明由于進(jìn)排氣閥的進(jìn)氣和排氣作用，整個供水泵站工程在允許的壓力范圍內(nèi)可以安全運(yùn)行?；▓@一級泵站在樁號為0+452.0、0+791.0、1+130.0、1+695.0、2+034.0位置裝設(shè)5個口徑為150mm的進(jìn)排氣閥后，管路壓力符合安全規(guī)定，泵站可以安全運(yùn)行?；▓@二級泵站在樁號為3+487.07、4+305.14、5+123.2位置裝設(shè)3個口徑為150 mm的進(jìn)排氣閥后，管路中負(fù)壓仍然偏大，為保證供水系統(tǒng)安全運(yùn)行，建議花園二級站機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量至少應(yīng)保證2.50 kg/m2，經(jīng)模擬計(jì)算在此轉(zhuǎn)動慣量下管路的負(fù)壓可以降至-6.10 m，另外在管路起伏較大點(diǎn)再裝一個口徑為100 mm進(jìn)排氣閥。

但當(dāng)事故停泵閥門發(fā)生拒動作時(shí)，花園一級和二級泵站所有機(jī)組將發(fā)生高速倒轉(zhuǎn)，會對機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p害。機(jī)組從失電停泵到機(jī)組開始倒轉(zhuǎn)時(shí)間難以及時(shí)手動關(guān)閉蝶閥。為此，設(shè)計(jì)單位提出了采用蝶閥的技術(shù)方案，蝶閥在優(yōu)化關(guān)閉程序后可以有效防止供水機(jī)組的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使水泵的倒泄流量減小，在一定程度上可以減小供水系統(tǒng)的水錘壓力，從系統(tǒng)安全運(yùn)行、水錘防護(hù)的設(shè)備制造及模擬計(jì)算的結(jié)果綜合考量，說明供水系統(tǒng)選用蝶閥防護(hù)的方案是可行的、合理的。

表5 泵站過渡過程最大壓力計(jì)算結(jié)果表（4臺同型號泵并聯(lián)、5個進(jìn)排氣閥）

計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算提出了保德縣引黃灌溉工程泵站工程重力流輸水管道壓力管線設(shè)計(jì)中應(yīng)采用的排氣閥的建議數(shù)量和安裝位置，但必須和與之配套的蝶閥聯(lián)合防護(hù)，才能有效的消除系統(tǒng)運(yùn)行中的水錘現(xiàn)象，因此排氣閥及蝶閥的設(shè)備選型是非常重要的。

需要說明的是，蝶閥的技術(shù)方案在有效保護(hù)機(jī)組的同時(shí)也造成了壓力管路局部的壓力升高。另外在模擬計(jì)算壓力管路系統(tǒng)的輸水中，由于花園一級和二級泵站工程的機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量較以往使用的機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量小10倍之多，水錘負(fù)壓力較大，因此必須研究加強(qiáng)水柱分離的防護(hù)措施。

4 結(jié)論

綜上所述，文章在不同流量、不同摩阻系數(shù)及引水閥不同關(guān)閥規(guī)律條件下，根據(jù)保德縣引黃灌溉工程重力流供水工程水錘計(jì)算的有關(guān)技術(shù)要求，進(jìn)行了各區(qū)段的水錘壓力計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。在工程9+800～19+440 段重力流的相關(guān)技術(shù)資料已經(jīng)提出的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算提供重力流壓力分布狀況，即最大水錘壓力上升值、最低壓力值，提供水錘壓力的包絡(luò)線，最大、最小壓力及對應(yīng)的時(shí)間過程，在校核該供水工程的設(shè)計(jì)方案的合理性的基礎(chǔ)上，提出不同流量、不同摩阻系數(shù)及引水閥不同關(guān)閥規(guī)律條件下重力流供水的運(yùn)行模式，為該工程全線自動化的控制提供技術(shù)支持。