任玉瑩

(哈爾濱功達(dá)給排水技術(shù)有限公司，哈爾濱 150000)

0 引 言

長(zhǎng)距離輸水工程是對(duì)水源進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊活惞こ蹋ㄟ^(guò)跨區(qū)域調(diào)水的方式改變水資源分布無(wú)法滿足用水實(shí)際的問(wèn)題，這種人為手段的優(yōu)點(diǎn)在于有效優(yōu)化地區(qū)生活條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。此類工程同樣也存在輸水量大，距離遠(yuǎn)，水源輸送所需時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加的特點(diǎn)[1]。

重力流和泵送流是長(zhǎng)距離輸水的基礎(chǔ)輸水方式，其中長(zhǎng)距離重力流輸水工程具有可利用的地形高差，管線可根據(jù)地形起伏平行鋪設(shè)，且在輸水過(guò)程中可利用天然落差重力自流的特點(diǎn)[2]，一定程度上的節(jié)省了工程造價(jià)、降低管線運(yùn)行費(fèi)用，且便于進(jìn)行管線日常的運(yùn)行維護(hù)管理工作。因而一般在工程條件滿足重力流要求的前提下，建議優(yōu)先選擇重力流輸水方式。但其仍然存在一些自身缺陷，如管線閥門關(guān)閉操作不當(dāng)或出現(xiàn)故障時(shí)[3]，地形起伏落差高低與管道承受的壓力大小成正比，導(dǎo)致水錘引起的爆管事故頻發(fā)的問(wèn)題。

長(zhǎng)距離大口徑多起伏重力流輸水管線的主要特點(diǎn)為管線及閥門等附件口徑大、管線距離長(zhǎng)、地形高低交替起伏多、流量大，較于一般重力流輸水工程管線的而言，其自身特性更為復(fù)雜。輸水過(guò)程中更易發(fā)生爆管等事故，嚴(yán)重時(shí)可能危及人民生命，造成無(wú)法預(yù)計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失和不良社會(huì)影響。因而長(zhǎng)距離大口徑多起伏重力流輸水管線的水錘防護(hù)對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線運(yùn)行安全是非常重要的研究方向之一。

文章以國(guó)內(nèi)某輸水工程為例，在建立水力過(guò)渡過(guò)程模型基礎(chǔ)上，依次對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間、增加不同水錘防護(hù)設(shè)備方案進(jìn)行模擬，選擇相對(duì)合適的水錘防護(hù)方案。

1 水錘綜述

1.1 水錘成因

密閉的輸水管道內(nèi)流速變化劇烈，從而使急劇變化的壓力波動(dòng)產(chǎn)生水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象或水擊。也是一種流體水力瞬時(shí)變化過(guò)程及非穩(wěn)定狀態(tài)，即流體運(yùn)動(dòng)中任一點(diǎn)處的包含流速、加速度，壓強(qiáng)及密度等一切動(dòng)態(tài)因素，可隨空間和時(shí)間發(fā)生變化[4]。它的邊界條件一般包括水泵或閥門等附件的特點(diǎn)、管道布置特點(diǎn)、管材、水池水位的高低變化等。發(fā)生水錘的原因可分為啟泵水錘、停泵水錘和關(guān)閥水錘三種。文章是針對(duì)其中的關(guān)閥水錘進(jìn)行研究分析。

1.2 水錘的危害

在長(zhǎng)距離輸水工程中，因中途突然停止運(yùn)行引發(fā)的水錘現(xiàn)象較為普遍，可能導(dǎo)致管道中的壓力瞬間急速增加，甚至達(dá)到平時(shí)工作壓力的幾倍，其升壓值有大概率會(huì)引起管道破裂，嚴(yán)重時(shí)使整個(gè)管道癱瘓的情況，無(wú)法滿足正常供水[5]。

2 技術(shù)路線

文章在建立水力過(guò)渡過(guò)程模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行水錘防護(hù)模擬步驟如下：

水錘防護(hù)模擬技術(shù)路線，見圖1。

圖1 水錘防護(hù)模擬技術(shù)路線

3 水力過(guò)渡過(guò)程模型建立

長(zhǎng)距離重力流輸水管線水力過(guò)渡過(guò)程建模過(guò)程中需要明確水池、閥門、防護(hù)設(shè)備等邊界條件，具體如下：

3.1 水池邊界條件

水池的邊界為輸水管道與水池的連接位置。這里將水位作為恒定值，假設(shè)水池水位為HR，則管道上游節(jié)點(diǎn)1水頭為HP1=HR[6]。

HP1=HR+△Hsinωt

(1)

式中：△H為波動(dòng)幅度；ωt為相位。

在HP1確定后，計(jì)算結(jié)點(diǎn)流量，計(jì)算公式為：

(2)

3.2 單向調(diào)壓塔

在輸水管道中的峰點(diǎn)、駝峰處及魚背點(diǎn)等處常出現(xiàn)負(fù)壓和水柱分離的情況，一般情況下可以通過(guò)設(shè)置單向調(diào)壓塔解決此類問(wèn)題。在泵的日常運(yùn)行工作中單向調(diào)壓塔與一般雙向調(diào)壓塔的差別在于，塔內(nèi)的設(shè)計(jì)水位線無(wú)需達(dá)到水力梯度線[7]，因此其設(shè)置高度更為靈活。

調(diào)壓塔流量：

Qp1+Qp3=Qp2

(3)

式中：Qp1為調(diào)壓塔前的管內(nèi)流入流量，m3/s；Qp2為調(diào)壓塔后的管內(nèi)流出流量，m3/s；Qp3為流出調(diào)壓塔的流量，m3/s。

流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量見下式：

(4)

式中：Ca為調(diào)壓塔出口流量系數(shù)；Ap為補(bǔ)水管過(guò)流面積，m2；Hp3為調(diào)壓塔的水位，m；Hp為管中壓力，m。

流出調(diào)壓塔流量：

(5)

式中：Smax為調(diào)壓塔內(nèi)的浮球閥可控(常數(shù))最高水位，m；Z為塔的水平面高度，m；Q3為塔內(nèi)水體的流量，m3/s；Δt為調(diào)壓塔水體出流時(shí)間，s；F為調(diào)壓塔的截面面積，m2；

當(dāng)Hp3≤Hp，Qp3=0時(shí)：

Qp1=(-Hp+Cpt)/B1

(6)

Qp2=(Hp+Cm2)/B2

(7)

3.3 雙向調(diào)壓塔

一般情況下，雙向調(diào)壓塔的高度要大于輸水管道水力梯度線，其體積能夠囊括水柱分離后的空腔容量。

當(dāng)輸水管線為正壓時(shí)，其內(nèi)部液體流入塔內(nèi)的流量為：

(8)

當(dāng)輸水管線為負(fù)壓時(shí)，從調(diào)壓塔流出的液體反方向流量為：

(9)

式中：H0調(diào)壓塔內(nèi)本身具有的水深；HP因泄流或注入后在調(diào)壓塔內(nèi)的水深；QP流入管道中水體流入調(diào)壓塔內(nèi)的流量；QP流出從調(diào)壓塔內(nèi)流入管道的水體流量[8]。

3.4 調(diào)流調(diào)壓閥

調(diào)流調(diào)壓閥包含活塞式和多噴孔式等多種形式，也被稱為調(diào)流閥。其具有水位控制、保壓釋壓控制、減壓控制、流量控制等功能，能夠起到無(wú)氣蝕、無(wú)振動(dòng)、無(wú)紊流、防泥沙阻力等作用。在大型輸水工程中被頻繁應(yīng)用，其中用于重力流長(zhǎng)距離輸水工程的頻率較高。

調(diào)流調(diào)壓閥在穩(wěn)定流量條件下，通過(guò)出口閥門流量Qp的計(jì)算式為[9]：

(10)

式中：τ為閥門開度的非線性函數(shù)；Cd為閥門全開時(shí)的流量系數(shù)；Ag為閥門全開時(shí)誰(shuí)同意流過(guò)的面積，m2；△Hp為閥門的水頭損失，m。

3.5 超壓泄壓閥

若管道因關(guān)閉閘閥而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，則可以通過(guò)在閘閥后安裝進(jìn)氣閥減小出現(xiàn)的負(fù)壓。也可將超壓泄壓閥(又稱安全閥)安裝在閘閥之前，與閥后安裝進(jìn)氣閥的效果相同。它的工作原理是在閥門關(guān)閉或延時(shí)開啟的情況下，減緩上游管道的流速變化，且通過(guò)開度產(chǎn)生減壓效果，中和管道內(nèi)因關(guān)閥產(chǎn)生的增壓，達(dá)到消減水錘壓力的作用[10]。

結(jié)點(diǎn)水頭平衡方程：

(11)

式中：ξ為閥門阻力參數(shù)；S2為管道特征常數(shù)。

泄壓閥泄流量：

QS=CS△H0.5

(12)

節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)方程：

QP1-QS=QP2

(13)

式中：CS為泄水系統(tǒng)流量系數(shù)；△H為泄壓閥前主管水壓力與泄壓管出口壓力的差值，m。

輸水管道中，應(yīng)先將泄壓閥完全開啟，避免關(guān)閉閥門時(shí)壓力升至巔峰狀態(tài)。由于水錘壓力巔峰值通常出現(xiàn)在全關(guān)閥門前，因而可以勻速開啟管道閥門并將開啟時(shí)間控制在主管閥門關(guān)閉所需的時(shí)間內(nèi)。需要特別注意的是需要通過(guò)閥門安全開度下的最小安全流量確定出水管與泄壓閥的口徑，以控制關(guān)閉閥門時(shí)產(chǎn)生的水錘。上述安全開度是指安裝泄壓閥前的閥門開度，在此安全開度的條件下主管道的閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力不應(yīng)大于管道靜水壓力。

根據(jù)超壓泄壓閥(安全閥)的工作原理可知，管道最高承壓值即為超壓泄壓閥出口壓力設(shè)定值HMi，當(dāng)瞬時(shí)壓力超過(guò)泄壓值，即HPi≥HMi，開始泄壓。節(jié)點(diǎn)流量QPi為流入該點(diǎn)的Qi[11]。

4 水力過(guò)渡過(guò)程模型求解

目前，計(jì)算水錘的方法有很多，為了解決輸水管道的水錘問(wèn)題，需要選擇合適的方法，以達(dá)到提高計(jì)算精度的目的。本研究采用特征線法進(jìn)行模型求解，壓力不穩(wěn)定流的基本方程是偏微分方程，特征線法則是將線性組合的偏微分方程(即運(yùn)動(dòng)方程或連續(xù)性方程) 轉(zhuǎn)變成特殊的全微分方程，再通過(guò)一階有限差分求出解。

上述利用有限差分法求解是克服積分問(wèn)題的有效方法之一，因而通過(guò)差分形式的特征方程運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)各管段均勻時(shí)間步長(zhǎng)的矩形網(wǎng)格方法進(jìn)行求解[12]。

特征線法優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)穩(wěn)定性準(zhǔn)則解決邊界條件，其邊界條件編程難度相對(duì)較小，有處理非常復(fù)雜系統(tǒng)的能力，能夠達(dá)到現(xiàn)有差分法中的最佳精度，其計(jì)算結(jié)果全部可通過(guò)表格呈現(xiàn)。

特征水錘計(jì)算的差分方程為式(14)至式(17)。

QT=CT-CaHT

(14)

QT=Cn+CaHT

(15)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(16)

Cn=QL2-CaHL2-CfQL2|QL2|

(17)

5 水錘防護(hù)優(yōu)化方案-工程實(shí)例

5.1 工程簡(jiǎn)介

首先收集工程實(shí)例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括管線縱斷數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)水量、水池水位等參數(shù)，匯總工程概況如下：

某輸水工程管線長(zhǎng)約85km，管徑為DN2800，管材主要采用涂塑鋼管和PCCP管兩種管材。首端水池最高水位912m，末端水池最低水位865m。設(shè)計(jì)流量為9m3/s。將上述收集到的數(shù)據(jù)，整理分析輸入水錘分析軟件，建立水錘分析模型。根據(jù)地形變化特點(diǎn)布置空氣閥，管線縱斷圖，見圖2。

圖2 管線縱斷圖

5.2 水錘防護(hù)壓力限值制定

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》CECS193-2005，制定水錘防護(hù)壓力限值，規(guī)程中規(guī)定“水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力≤1.3-1.5倍的最大工作壓力”。負(fù)壓下限為+2m，即不允許出現(xiàn)負(fù)壓。

5.3 穩(wěn)態(tài)分析

首先進(jìn)行靜壓分析，而后在管線的運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，對(duì)管線的承壓能力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。按上述步驟對(duì)模型模擬分析可知，工程全線靜壓均包含在設(shè)計(jì)承壓范圍內(nèi)，滿足管道承壓能力要求。管線靜壓圖，見圖3。

圖3 管線靜壓圖

工程正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)輸水管線穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，管線穩(wěn)態(tài)壓力分布圖，見圖4。

圖4 管線穩(wěn)態(tài)壓力分布圖

分析表明：在管線的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，全線的自由水頭小于管線的設(shè)計(jì)承壓能力。當(dāng)流量較小的情況下，管線工作壓力較高，其靜壓為極限工作壓力，圖3中顯示管線的靜壓在管線的設(shè)計(jì)承壓能力范圍內(nèi)，則設(shè)計(jì)承壓能力滿足要求。

5.4 水錘防護(hù)方案制定

結(jié)合本工程實(shí)例特點(diǎn)，對(duì)輸水管線進(jìn)行關(guān)閥水錘模擬計(jì)算，以確定安全關(guān)閥時(shí)間及相應(yīng)水錘防護(hù)設(shè)備，現(xiàn)提出以下4種方案。水錘防護(hù)方案，見表1。

表1 水錘防護(hù)方案

由于本工程實(shí)例屬于大型輸水工程，所以對(duì)于工程運(yùn)行安全防護(hù)要求較高，負(fù)壓下限取+2m，無(wú)負(fù)壓。

6 瞬態(tài)模擬

根據(jù)指定的水錘防護(hù)方案進(jìn)行關(guān)閥水錘模擬，分析如下：

6.1 方案1：多時(shí)間末端關(guān)閥模擬

本方案對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算，方案1水錘壓力包絡(luò)線計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 方案一水錘壓力包絡(luò)線計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)管線末端控制閥關(guān)閉時(shí)間設(shè)為600s、1200s、1800s時(shí)，管線末端控制閥的閥前壓力波動(dòng)劇烈，部分管線的最大壓力超過(guò)了管道的設(shè)計(jì)承壓和正壓上限，無(wú)法滿足水錘防護(hù)要求；當(dāng)管線末端的關(guān)閥時(shí)間延長(zhǎng)至2400s時(shí)，末端控制閥的閥前壓力衰減明顯，管線提升的最大壓力沒(méi)有超出正壓上限，最小壓力+2m以上，滿足規(guī)范要求。可以說(shuō)明的是管線末端關(guān)閥的時(shí)間與所引起的壓力波動(dòng)成反比。因此，方案一建議的安全關(guān)閥時(shí)間最小為2400s。上述不同關(guān)閥時(shí)間計(jì)算，末端不同關(guān)閥時(shí)間最大水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比，見圖5；末端不同關(guān)閥時(shí)間最小水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比，見圖6。

圖5 末端不同關(guān)閥時(shí)間最大水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比

圖6 末端不同關(guān)閥時(shí)間最小水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比

6.2 方案2：?jiǎn)蜗蛘{(diào)壓塔+超壓泄壓閥

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加單向調(diào)壓塔和超壓泄壓閥進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)110+800處設(shè)置超壓泄壓閥，泄壓閥口徑DN600，泄壓值80m，泄水量模擬結(jié)果為14580m3。

2)在樁號(hào)122+400處設(shè)置1個(gè)單向調(diào)壓塔，最低水位850m，設(shè)計(jì)水位855m，最高水位860m，塔直徑1.4m，連接管口徑DN1200泄壓口徑DN1000，泄壓值75m，泄水量模擬結(jié)果為690m3。

3)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為118m，最小水錘壓力為2.3m，方案2水錘壓力包絡(luò)線，見圖7。

圖7 方案2水錘壓力包絡(luò)線

6.3 方案3：超壓泄壓閥

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加超壓泄壓閥進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)110+800處設(shè)置泄壓閥，泄壓閥口徑DN600，泄壓值80m，泄水量模擬結(jié)果為14580m3。

2)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為136m，最小水錘壓力為-0.8m，方案3水錘壓力包絡(luò)線，見圖8。

圖8 方案3水錘壓力包絡(luò)線

6.4 方案4：雙向調(diào)壓塔

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加雙向調(diào)壓塔進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)122+400處設(shè)置1個(gè)雙向調(diào)壓塔，最低水位850m，設(shè)計(jì)水位876m，最高水位950 m，塔直徑3m，連接管口徑DN2600。

2)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為140m，最小水錘壓力為-0.7m。方案4水錘壓力包絡(luò)線，見圖9。

圖9 方案4水錘壓力包絡(luò)線

7 水錘防護(hù)方案優(yōu)選

7.1 各方案水錘計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)本工程實(shí)例各方案進(jìn)行分析研究，分析結(jié)論如下：由于工程末端水池容積有限，關(guān)閥時(shí)間不得超過(guò)600s，因此以輸水管線關(guān)閥時(shí)間600s的水錘計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，方案1中末端關(guān)閥時(shí)間600s時(shí)不滿足水錘防護(hù)要求，因此在末端關(guān)閥時(shí)間600s基礎(chǔ)上增加單向調(diào)壓塔和超壓泄壓閥(即方案2)、超壓泄壓閥(即方案3)、雙向調(diào)壓塔(即方案4)進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算分析，其中方案3、方案4的最小水錘壓力都超出負(fù)壓下限+2m，無(wú)法滿足水錘防護(hù)要求。方案2的計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求，因此建議采用方案2。

7.2 方案優(yōu)選

根據(jù)上述水錘方案計(jì)算結(jié)果分析可知，僅方案2滿足規(guī)范和工程要求。該方案主要優(yōu)點(diǎn)在于：可有效縮短關(guān)閥時(shí)間；單向調(diào)壓塔內(nèi)部安裝的單向止回閥有防止水體回流的作用，對(duì)安裝高度要求較低，因此也被稱做低位調(diào)壓塔；內(nèi)部的水箱容積僅需達(dá)到水柱分離點(diǎn)處的最大空腔水體容量即可，所以能夠在降低工程施工難度的同時(shí)節(jié)約成本；方案2中的超壓泄壓閥可根據(jù)工程不同工況的需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可為滿足快速泄壓消除水錘進(jìn)行快開慢關(guān)，能夠有效避免閥門關(guān)閉過(guò)程中二次水錘的發(fā)生，防止高壓或壓力突變損壞管道及設(shè)備。

8 結(jié) 語(yǔ)

本工程是以某大口徑多起伏長(zhǎng)距離重力輸水工程為例，在建立水力過(guò)渡過(guò)程模型基礎(chǔ)上，依次對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間、增加不同水錘防護(hù)設(shè)備方案進(jìn)行模擬，從技術(shù)、運(yùn)行、是否滿足規(guī)范等多角度選擇相對(duì)合適的水錘防護(hù)方案。從而有效避免輸水管線運(yùn)行時(shí)因水錘引發(fā)的管裂或爆管等事故，減少經(jīng)濟(jì)損失。