李 妍 , 白綿綿, 閆 飛

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,西安 710000)

0 前 言

水錘現(xiàn)象是管路系統(tǒng)中因流體流態(tài)劇烈改變而引起的急驟壓力交替變換的水力撞擊現(xiàn)象。長距離輸水有重力輸水和水泵加壓兩種方式。重力流方式和水泵供水相比，多應(yīng)用小規(guī)模工程中，應(yīng)用方式比較傳統(tǒng)，流量和流速的變化比較大，控制方法不合理，多采用傳統(tǒng)粗放式的控制方式，經(jīng)常發(fā)生突發(fā)的爆管現(xiàn)象[1]。管線末端富余水頭較大是重力流輸水系統(tǒng)最明顯特點，閥門突然啟閉，管道內(nèi)壓力急劇升高和降低，引發(fā)水錘現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成管道或設(shè)備強度不夠而破裂、管道塌癟、管道接口位置改變和滲漏等危害[2-4]。為了掌握高落差重力流輸水管道的開關(guān)閥水錘規(guī)律，許多學(xué)者對此做了大量的研究工作。董茹[5]等對帶有支線管路的重力流輸水工程的關(guān)閥水錘進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)主線和干線閥門的合理關(guān)閉時間對于水錘防護(hù)有著重要作用。周天馳[6]等針對重力流供水系統(tǒng)各個部位的水力學(xué)特點，確定在4個水廠前設(shè)置超壓泄壓閥及采用120 s的開關(guān)閥規(guī)律的聯(lián)合水錘防護(hù)方案。在實際工程中，確定閥門最優(yōu)關(guān)閉時間建立輸水系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)，能夠明顯減小因關(guān)閥操作不當(dāng)誘發(fā)的水錘危害。

本文以青海省玉樹市供水管道配套工程為依托，基于典型的高落差重力流輸水管路系統(tǒng)，深入分析開關(guān)閥歷時規(guī)律與水錘波傳播和反射之間的關(guān)系，提出合理的閥門調(diào)節(jié)措施，為管路系統(tǒng)運行的水力調(diào)度、自動化控制以及設(shè)備選型提供決策依據(jù)。

1 工程概況

水源為新建的國慶水庫，通過隧洞及重力自流輸水管道送至縣城凈水廠，解決玉樹市17.5萬人口的生活飲用水問題。該工程設(shè)計規(guī)模為4.5萬m3/d，管道線路總長度9.0 km，公稱壓力為2.5 MPa，采用K9級DN500 mm球墨鑄鐵管；國慶水庫正常蓄水位4 027.10 m，設(shè)計洪水位4 028.50 m，死水位4 001.50 m，管線末端地面高程3 778.99 m，凈高差248.11 m；減壓池內(nèi)設(shè)計正常水位3 952.94 m，凈水廠所需總水頭20 m，作為壓力控制點。在管道設(shè)計樁號2+258.00 m處布設(shè)200 m3減壓池，凈尺寸為7.8 m×7.8 m×3.5 m(長×寬×深)；末端設(shè)置鼠籠型活塞式調(diào)流調(diào)壓閥，利用均勻分布的小孔使水柱對撞破裂而消能，在運行初期或小流量情況下，對末端壓力及流量進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)原水從國慶水庫重力流至凈水廠，并且滿足水廠所需水頭要求。工程的輸水系統(tǒng)布置、管道縱斷面布置及穩(wěn)態(tài)工作水壓線見圖1和圖2。

圖1 輸水系統(tǒng)布置

圖2 管線穩(wěn)態(tài)運行時水力坡降線

2 開關(guān)閥水錘模擬分析

本次采用HAMMER V8模擬軟件，基于特征線法對整個輸水系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一穩(wěn)態(tài)的瞬間變化進(jìn)行計算分析，包括管道內(nèi)節(jié)點與管道連接的水池、閥門等其他過流元件。該工程凈水廠前布設(shè)有蝶閥+過濾器+調(diào)流調(diào)壓閥+伸縮接頭+蝶閥，上游蝶閥為檢修蝶閥，中間調(diào)流調(diào)壓閥是為了調(diào)節(jié)流量和消減水壓，下游蝶閥為工作閥，便于水廠總進(jìn)水管運行時正常啟閉。所以在模擬計算分析過程中，開關(guān)閥操作對象是下游蝶閥，下游蝶閥動作時，中間調(diào)流調(diào)壓閥同步動作，即同時開啟或同時關(guān)閉。當(dāng)閥門關(guān)閉后管線各點壓力為該點高程與首端水庫水位的幾何落差，即各點的靜水頭，正常輸水時的各點測壓管水頭，即各點的動水頭。閥門關(guān)閉后，輸水系統(tǒng)經(jīng)歷由動水頭到靜水頭的過渡過程，此過程會產(chǎn)生很大水錘壓力[7]。

2.1 關(guān)閥水錘計算

根據(jù)本工程蝶閥特性及自動化控制設(shè)計為線性啟閉，本次分別對蝶閥線性關(guān)閉時間150、300、600、900、1 200 s 5種工況進(jìn)行模擬計算。

末端閥門在150 s內(nèi)關(guān)閉時的水錘模擬結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出管道自上游至下游逐漸升壓十分明顯，最大壓力出現(xiàn)在樁號8+840.00 m處，最大水錘壓力299.50 m，是靜水壓的1.74倍，已超過CECS193:2005《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》中1.3～1.5倍最大工作壓力的上限值[8]，此時管線及閥門均需要選擇更高的壓力等級，特別是閥門應(yīng)采用4.0 MPa。減壓池前端進(jìn)口最大水錘壓力97.50 m，是靜水壓力的1.19倍；池內(nèi)最大水深3.32 m，最小水深3.20 m。

圖3 末端閥門在150s內(nèi)關(guān)閉水錘包絡(luò)線

末端閥門在300 s內(nèi)關(guān)閉時的水錘模擬結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出同樣管道全線升壓過程顯著，樁號8+840.00 m處的最大水錘壓力250.60 m，是靜水壓的1.46倍，已接近于《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》中1.3～1.5倍最大工作壓力的極限值，最小壓力20.10 m；減壓池前端進(jìn)口最大水錘壓力89.40 m，是靜水壓力的1.09倍，池內(nèi)最大水深3.35 m，最小水深3.19 m。

末端閥門在600 s內(nèi)關(guān)閉時的水錘模擬結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出管道升壓略微明顯，最大水錘壓力184.50 m，是靜水壓的1.07倍，最小壓力18.40 m；閥門完成關(guān)閉后在靜壓上下范圍內(nèi)波動，關(guān)閥水錘改善了許多；減壓池前端進(jìn)口最大水錘壓力85.50 m，是靜水壓力的1.04倍，池內(nèi)最大水深3.42 m，最小水深3.20 m。

圖5 末端閥門在600 s內(nèi)關(guān)閉水錘包絡(luò)線

末端閥門在900 s內(nèi)關(guān)閉時的水錘模擬結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出管道升壓平緩，最大水錘壓力176.90 m，是靜水壓的1.03倍，最小壓力19.10 m；減壓池前端進(jìn)口最大水錘壓力84.40 m，是靜水壓力的1.03倍，池內(nèi)最大水深3.48 m，最小水深3.23 m。

圖6 末端閥門在900 s內(nèi)關(guān)閉水錘包絡(luò)線

末端閥門在1 200 s內(nèi)關(guān)閉時的水錘模擬結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出管道升壓更為緩慢，最大水錘壓力175.60 m，是靜水壓的1.02倍，最小壓力19.0 m；減壓池前端進(jìn)口最大水錘壓力83.70 m，是靜水壓力的1.02倍。減壓池內(nèi)水深和流量瞬變?nèi)鐖D8所示。由圖8可見，減壓池自380 s開始溢流，直至715 s結(jié)束，總溢流量3.30 m3，池內(nèi)最小水深3.22 m。

圖7 末端閥門在1200 s內(nèi)關(guān)閉水錘包絡(luò)線

圖8 減壓池內(nèi)水深和流量瞬變

末端閥門進(jìn)口壓力值如圖9所示。閥門關(guān)閉時間在150～600 s，閥門進(jìn)口壓力呈明顯周期性波動，逐漸衰減；當(dāng)關(guān)閉時間達(dá)到600 s，各點壓力隨閥門關(guān)閉逐漸減少，在閥門完成關(guān)閉(或即將完成關(guān)閉)后在靜壓上下范圍內(nèi)波動。通過模擬分析，閥門關(guān)閉時間應(yīng)控制在6 000～1 200 s。如關(guān)閉過快，將造成管線末端水錘壓力升高，小于600 s關(guān)閉時會出現(xiàn)最大水錘壓力299.50 m，存在爆管風(fēng)險；超過600 s關(guān)閉時水錘壓力小于184.50 m，接近于管道靜水壓，如關(guān)閉過慢，將有多余水從減壓池中溢流。關(guān)閥工況下，上下游閥門應(yīng)同時動作；且關(guān)閉時間越長，系統(tǒng)最大水錘壓力、閥門進(jìn)口壓力越小，但減壓池溢流量增大。實際運行中，如果減壓池上游閥門先關(guān)，會放空部分管段，造成負(fù)壓，不利于管道安全；反之，造成溢流棄水。

圖9 末端閥門進(jìn)口壓力值

2.2 開閥水錘計算

根據(jù)本工程地形高差大，以減壓池為界，上下游兩段管道靜水壓大，尤其是減壓池至凈水廠段管道末端靜水壓為173.95 m，若閥門開啟速度過快，發(fā)生開閥過程中輸水系統(tǒng)沿線壓力迅速增大，慣性力不斷沖擊管壁，針對控制工況進(jìn)行開閥水錘計算，根據(jù)結(jié)果選定合理的開閥時間。因此采用60、120、300、900 s的開閥時間，計算結(jié)果如表1所示。

表1 末端閥門不同開啟時間對應(yīng)極值

從表1中可以看出，開閥時間對應(yīng)的節(jié)點最大壓力值為靜壓值，即壓力在靜壓值左右波動；減壓池最大水深隨開閥時間增長逐漸變小，但數(shù)值差距較小，開閥引起的水力過渡過程并不激烈，最大壓力稍高于靜壓，建議閥門開啟時間不低于60 s；同時，如果減壓池內(nèi)無水，應(yīng)先開啟上游閥門，當(dāng)減壓池內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計水位后，再開啟下游閥門；如果減壓池內(nèi)水位已是設(shè)計水位，且管線充滿水，可同時開啟上下游閥門。

末端閥門采用電控蝶閥，在不同工況下均能自動按照預(yù)定時間啟閉；水廠進(jìn)水口處采用活塞式控制閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和消減富余水頭，并與水庫水位相關(guān)聯(lián)建立輸水系統(tǒng)閥門操作管理手冊，保證沿線水量水壓在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文在不同開關(guān)閥規(guī)律下，進(jìn)行了輸水系統(tǒng)的水錘壓力模擬計算，反映出閥前壓力、減壓池水深與閥調(diào)節(jié)規(guī)律之間的關(guān)系，并尋找管道內(nèi)部的最大水錘壓力，作為控制目標(biāo)，得出結(jié)論如下：

(1) 閥門關(guān)閉時間越長，最大水錘壓力越小，其降幅也越來越?。婚_閥最大水錘壓力略高靜水壓；可降低所選管道及閥門的壓力等級。

(2) 末端閥門最優(yōu)關(guān)閉時間在600～1 200 s，且上下游同時關(guān)閉；超過1 200 s，減壓池出現(xiàn)溢流。

(3) 末端閥門開啟時間大于60 s，實時監(jiān)測減壓池水位確定上下游開閥順序。

(4) 對本重力流系統(tǒng)來說，保證閥門啟閉時間合理，就可將升降壓值控制在要求范圍內(nèi)，無需其他防護(hù)設(shè)施。