真空吸氣閥與單向調(diào)壓塔在長距離多起伏管線中的水錘防護研究

張旭峰 陳立志 劉先念

(大連市供水有限公司 116021)

我國長距離輸水管線距離長、起伏大，使得設備的優(yōu)化選擇存在難度。本文結(jié)合工程實例，建立水錘防護設備模型，對比真空吸氣閥和調(diào)壓塔水錘防護方案事故停泵時水錘防護效果，經(jīng)技術、經(jīng)濟比較后確定一個較佳的水錘防護方案［1］。

1 水錘防護設備模型建立

針對長距離、起伏大的輸水管線，水錘防護設備有單向調(diào)壓塔、真空吸氣閥、空氣閥等［2～5］。

1.1 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔在泵站附近或管道的適當位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。單向調(diào)壓塔的注水管上裝設有逆止閥，當管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時，調(diào)壓塔向管道補水，防止水柱分離，避免彌合水錘。單向調(diào)壓塔的幾何高度及容積較雙向調(diào)壓塔可大大降低，其幾何高度及容積相對較小，經(jīng)濟合理，但其對停泵水錘以外的水錘如關閥水錘的降壓作用有限［8］。由于單向調(diào)壓塔是靠塔內(nèi)水位與管道內(nèi)壓力差，在重力作用下進行補水防止水柱分離的，因此其保護范圍僅為塔內(nèi)最高水位以下的管道部分［9］。此外，單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導致發(fā)生較大的水錘。

計算公式為

當Hp3≤Hp，Qp3=0 時

以上式中 Qp1——流經(jīng)調(diào)壓塔前管內(nèi)流量，m3/s;

Qp2——流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量，m3/s;

Qp3——流出調(diào)壓塔流量，m3/s;

Ca——調(diào)壓塔出口流量系數(shù);

AP——補水短管的過流面積，m2;

HP3——調(diào)壓塔水位，m;

HP——管中壓力，m;

Smax——調(diào)壓塔內(nèi)浮球閥控制最高水位(常數(shù))，m;

Z ——塔相對于基準面高度，m;

Q3——塔內(nèi)流量，m3/s;

Δt——調(diào)壓塔出流時間，s;

F ——塔斷面面積，m2。

1.2 真空吸氣閥

真空吸氣閥在系統(tǒng)出現(xiàn)負壓狀態(tài)時可迅速開啟，自動向系統(tǒng)中補入大量空氣。真空吸氣閥安裝在管線的坡峰處，與空氣閥相結(jié)合，一定程度上可起到調(diào)壓塔的作用。在管線發(fā)生爆管或排水閥損壞失效情況下，水流速度過快，極易形成真空，此時空氣閥的吸氣功能不能完全防止真空的出現(xiàn)，會導致爆管情況發(fā)生。在此處設置真空吸氣閥可有效防止真空的出現(xiàn)［10］。

空氣以亞音速等熵流進(P0＞P ＞0.5283P0)時，計算公式為

Cin——空氣流入空氣閥時的流量系數(shù);

Ain——空氣閥的進口面積，m2;

P——空氣閥內(nèi)絕對壓力，MPa;

P0——大氣絕對壓力，MPa;

ρ0——大氣密度。

空氣以臨界流速等熵流進(P≤0.5283P0)時，計算公式為

式中

式中 R——氣體常數(shù);

T0——大氣溫度，K。

2 水錘防護設備模型求解

水錘計算方法較多，研究采用特征線法［6，7］。特征線法基本原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉(zhuǎn)化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。本研究采用特征線法［6，7］求解。水錘計算的特征差分方程為

QL1、QL2——管道L1、L2 兩點的瞬態(tài)流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 兩點的瞬態(tài)水頭;

CT、Cn——水錘特征沿程的特征參量;

Ca——管道的特征常數(shù);

Cf——管道的摩阻性常數(shù);

g——重力加速度;

a——水錘波速;

f——管道的阻力系數(shù);

Δt——選定時間步長;

D——管道直徑;

A——管道過流面積。

3 工程實例

3.1 工程簡介

大伙房水庫輸水應急入連南段工程為泵送單管輸水，前端水池水位為122.98m，后端水池水位為131.89m，管線全長36.3km，均為鋼管，承壓能力為1.3MPa(局部1.4MPa)，前段28.9km 管線直徑為1800mm，后段7.4km 管線直徑為1600mm。在距離管線起端1520m 處有泵站一座，泵站前為重力流輸水。

該管線多起伏，類似于多個U 形管連接在一起。泵站內(nèi)設有3臺DN300 壓力波動預止閥，每臺水泵后設有一臺緩閉液控止回閥。管線上設計有48個緩閉式空氣閥，口徑為DN200mm。

該工程穩(wěn)態(tài)模擬計算結(jié)果見圖1。

圖1 管線穩(wěn)態(tài)運行狀況

分析可知:管線穩(wěn)態(tài)運行時，管線各處自由水壓遠小于承壓能力，管線承壓能力滿足穩(wěn)態(tài)需求。

3.2 水錘防護方案模擬計算

在現(xiàn)有設備條件下(即全線空氣閥方案)，水錘防護效果見圖2。

圖2 事故停泵水錘壓力包絡線

分析可知:事故停泵后局部管線負壓嚴重，現(xiàn)有設備不能滿足水錘防護要求，有必要增加水錘防護設備。

研究針對前述三種水錘防護設備，即真空吸氣閥、單向調(diào)壓塔、空氣閥，分別給出一個可行的水錘防護方案，進行優(yōu)化比較。

3.2.1 方案一(單向調(diào)壓塔)

該方案在原設計基礎上管線A、B 兩處分別增加雙向調(diào)壓塔1個，其中A 處的單向調(diào)壓塔塔高10m，直徑3m，水深6m;B 處的單向調(diào)壓塔塔高8m，直徑2.4m，水深5m。并且A、B 兩處均增加一個DN200的緩閉式空氣閥。計算結(jié)果見圖3。

分析可知:事故停泵時，全線最大水壓110.2m，管線起端有較長的負壓段，最小壓力達到-4.8m，滿足防護需求。

3.2.2 方案二(真空吸氣閥)

方案二相對于方案一，用真空吸氣閥代替A、B 兩處的單向調(diào)壓塔，A、B 兩處的真空吸氣閥口徑均為300mm。并且A、B 兩處均增加一個DN200的緩閉式空氣閥。計算結(jié)果見圖4。

圖3 方案一事故停泵管道水錘壓力包絡線

圖4 方案二事故停泵管道壓力包絡線

分析可知:事故停泵時，全線最大水壓86.3m，管線起端有較長的負壓段，最小壓力達到-3.6m，滿足防護需求。

3.3 方案比選

在采用不同設備獲得可行的方案后，研究通過技術經(jīng)濟比較，確定一個較優(yōu)的水錘防護方案。

3.3.1 技術性能比較

由圖3、圖4的分析可知:方案一泵后有較大壓力產(chǎn)生，同時管線存在負壓段，水錘防護效果較差;方案二效果比方案一好。方案一由于罐體儲水易滯水而造成污染，相比之下方案二具有最好的水質(zhì)保護功能。

3.3.2 經(jīng)濟性能比較

方案二調(diào)壓塔單獨使用不能滿足需求，還需要配合使用兩個DN200的空氣閥。且塔的容積較大，工程量大，而且施工易受地形限制而有一定難度。在東北地區(qū)使用還需考慮冬季保溫問題;方案二僅使用真空閥和空氣閥，安裝快捷簡單，不受地形限制，管理方便。

3.3.3 方案的確定

綜合比較上述兩個方案，方案二設備安裝簡單快捷而不受地形限制，以較小的費用獲得了較好的水錘防護效果，對于防止水污染也有較好的性能。且設備簡單、最易于實施，最終被確定為最佳方案。

4 結(jié) 語

對比分析單向調(diào)壓塔、真空吸氣閥兩種水錘防護設備的性能及適用范圍，以大伙房水庫輸水應急入連工程為例，通過大量計算分別獲得可行的方案，并對比分析各方案技術、經(jīng)濟性能，最終確定真空吸氣閥為最優(yōu)水錘防護方案。

對于形如多U 形管串連的長距離輸水管線，如果管線波峰處高程差不大，管線首尾水池水位高差也不大，那么在管線波峰處采用真空閥與空氣閥，水錘防護效果非常好，而且造價低廉、易于實施。

在長距離輸水管線水錘計算結(jié)果還存在一定并不確定性時，要通過大量的反復計算確定水錘防護設備。?按照設備性能特點選擇設備，依據(jù)計算分析確定設備位置;?多計算，通過防護效果確定設備型號;?制定幾個可行的方案，技術經(jīng)濟比較后最終確定方案。

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