海底輸水管道中氣阻及水擊問題研究進(jìn)展

俞韻祺,萬五一,潘錦豪

(浙江大學(xué)水利與海洋工程學(xué)系, 浙江 杭州 310058))

海底輸水管道中氣阻及水擊問題研究進(jìn)展

俞韻祺,萬五一,潘錦豪

(浙江大學(xué)水利與海洋工程學(xué)系, 浙江 杭州 310058))

針對(duì)海底輸水管道工程中存在的對(duì)輸水目標(biāo)不利的駝峰氣阻和水擊問題,引入氣泡理論和流態(tài)分析方法計(jì)算分析跨海輸水管道中駝峰氣阻的形成過程,采用特征線法建立輸水管道中加壓泵事故斷電引發(fā)的水擊計(jì)算模型,介紹了海底輸水管道中的水擊防護(hù)措施,指出空氣罐在海底輸水系統(tǒng)中有特殊的優(yōu)勢,和管道一體化后可實(shí)現(xiàn)海底封閉式供水，描述了空氣罐的數(shù)學(xué)模型。認(rèn)為海底管線布置應(yīng)盡量保證地形平緩,應(yīng)充分重視空氣罐防護(hù)技術(shù),它們是實(shí)現(xiàn)海底輸水管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

海底輸水管道;氣阻;水擊;空氣罐

我國年降水量從東南向西北基本呈遞減分布,降水量的季節(jié)差異和年際變化也十分顯著[1],造成水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均。為了滿足各地區(qū)持續(xù)增長的淡水需求,大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水已經(jīng)成為緩解水資源分配矛盾的重要途徑。中國目前擁有6 961個(gè)海島,島嶼總面積66 910 km2,約占中國陸地面積的7%,居住人口超過4 000萬[2]。作為海洋生態(tài)和海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，海島的發(fā)展往往受到淡水資源缺乏的制約,鋪設(shè)海底輸水管道以便從大陸調(diào)水對(duì)于該困擾的解決起著舉足輕重的作用。從1954年美國Brown & Boot公司在墨西哥灣鋪設(shè)第1條海底管道開始,到被視為具有現(xiàn)代意義的20世紀(jì)60年代美國加州海底輸水工程,再到目前廣泛開展的各種海底輸水工程,國外海底輸水管道工程的發(fā)展已歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)[3]。我國海底輸水管道工程起步較晚,1973年開始鋪設(shè)第1條海底管道,海底輸水管道設(shè)計(jì)及施工技術(shù)還處于起步階段。表1記錄了迄今為止國內(nèi)已建和在建的海底輸水管道工程[4-10]。雖然國內(nèi)外建成的海底輸水管道大多集中在近海地區(qū)和大陸架范圍內(nèi),但隨著管道技術(shù)的進(jìn)步,也出現(xiàn)向深海發(fā)展的趨勢。2009年,Badescu等[11]首次采用集束管路和多級(jí)泵疊加加壓方法,從潮汐和洋流中獲取能量,分析了從南美洲到非洲沙漠地區(qū)構(gòu)建洲際海底輸水管道的可行性。

表1 我國海底輸水管道工程

1 海底輸水管道的氣阻問題

海底輸水管道的起伏部位常有空氣集中現(xiàn)象發(fā)生,這些部位空氣形成的阻力損耗了輸水系統(tǒng)的動(dòng)力,是引起高壓水擊的隱患,對(duì)海底輸水管道氣阻機(jī)理的研究具有重要的工程意義。氣阻問題的研究最早始于1917年,科學(xué)家Rayleigh在著名論文《液體中球形空腔崩潰時(shí)產(chǎn)生的壓力》中給出了氣泡周圍水體壓強(qiáng)和氣泡半徑變化率的關(guān)系[12]:

(1)

式中:p∞為距氣泡中心無窮遠(yuǎn)處的壓強(qiáng);pg為氣泡內(nèi)部的壓強(qiáng);rg為氣泡半徑;ρ為水的密度;t為時(shí)間。

Rayleigh開啟了液體中氣阻機(jī)理的研究,但含氣水流中氣泡受力復(fù)雜,在流場中頻繁發(fā)生著氣泡的運(yùn)動(dòng)、破裂和聚并,不能以單獨(dú)氣泡的運(yùn)動(dòng)來描述。近一個(gè)世紀(jì)以來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣阻問題的研究很少,主要集中在石油天然氣管道、水泵及輸配水管路中氣阻的防治,絕大多數(shù)研究是工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[13],缺乏氣阻力學(xué)方面的理論研究。從陸地工程中得到的經(jīng)驗(yàn)是可以通過設(shè)置排氣閥和減壓站來解決氣阻問題,但海底環(huán)境條件苛刻,與陸地條件大不相同,應(yīng)用這些常規(guī)方法非常困難。

海底地形復(fù)雜多變,輸水管道也隨之起伏變化。管道中含氣水流可分為3種:①分離運(yùn)動(dòng),包括層流、波狀流、環(huán)狀流;②間歇運(yùn)動(dòng),包括團(tuán)狀流和氣塞流;③分散流動(dòng),包括泡狀流和霧狀流。流態(tài)因流體的流速、含氣量、管線形狀等因素的改變而變化[14]。含氣水流輸入后由于水流流動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化，在駝峰平行段內(nèi)析出,封閉在管道的高位,不斷累積后在一定的管道壓強(qiáng)下成為壓縮空氣,最終在管道中形成駝峰氣阻。

具體的流態(tài)可由弗勞德數(shù)Fr和含氣率El加以判斷,當(dāng)FrL2且Fr>L1時(shí)為分散運(yùn)動(dòng)[15]。Fr、El、L1、L2的表達(dá)式分別如下:

(2)

(3)

在海底輸水管道工程中,常采用提高泵的輸出功率來改變水流的含氣率水平,使分離運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為分散運(yùn)動(dòng)以消除氣阻,該方法的缺陷是無法徹底消除氣阻,同時(shí)需要人工干預(yù)并消耗大量電能。

氣阻的形成和含氣水流流態(tài)的變化有著顯著的相關(guān)性,氣體析出并形成氣阻受管線形狀影響很大。圖1是工程實(shí)踐中兩種最常見的氣阻類型,均由直線管線變化成弧線所造成,圖1(a)表明空氣會(huì)在管道上彎駝峰段積聚形成氣阻,圖1(b)表明下傾管道的上游水平段也會(huì)形成氣阻。因此,在海底管道設(shè)計(jì)中需要認(rèn)真考慮管線布置對(duì)氣阻形成和消除的影響。選擇海底地形平緩、土層承載力大的路線,避開海門、海溝、巖層以及流沙等不穩(wěn)定區(qū)域可以有效消除氣阻。

2 海底輸水管道的水擊問題

2.1 輸水管道中的水泵水擊和氣阻水擊

在海底輸水壓力管道中,由于短時(shí)間內(nèi)的流速變化,以及動(dòng)能與壓強(qiáng)水頭之間的能量轉(zhuǎn)換,引起管路壓力發(fā)生急劇交替變化,這種水力過渡現(xiàn)象稱為水擊。閘門的開啟和閉合、上游流量水位的變化、加壓泵站的啟動(dòng)和關(guān)閉等情形都有可能引發(fā)水擊[16]。水擊所引起的超設(shè)計(jì)高壓、水流震蕩和負(fù)壓問題常常是造成輸水工程事故的重要原因,超設(shè)計(jì)高壓水擊一旦形成,輕則導(dǎo)致輸水管道破裂,造成暫時(shí)性供水中斷,重則損壞泵機(jī)、閥門及其他相關(guān)設(shè)備。海底輸水管道存在的多級(jí)加壓泵水擊問題和管路氣阻水擊問題,會(huì)和管道水擊問題綜合作用,產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。因此水泵水擊和氣阻氣團(tuán)沖擊水擊的研究成為海底輸水工程的兩項(xiàng)重要課題。

2.1.1 加壓泵引發(fā)的水擊

海底輸水管道的加壓泵在事故停電時(shí)會(huì)自動(dòng)停泵關(guān)閥,引起取水泵站至中繼站間的管線壓力突然升高,該水擊的壓力可達(dá)數(shù)十倍的原水壓,大幅度超出設(shè)計(jì)許可,而此時(shí)如果取水泵站運(yùn)行尚未停止,危害會(huì)進(jìn)一步加重;如果取水泵站意外停機(jī),則會(huì)在取水口至加壓泵之間形成低壓,同樣會(huì)損毀管道。無論是一級(jí)泵站事故停電還是二級(jí)泵站事故停電,都會(huì)引發(fā)彌合水擊和輸水管道斷流現(xiàn)象。

在事故停電計(jì)算中,對(duì)水泵的全特性曲線需作出轉(zhuǎn)換,如式(6)所示[17]:

(6)

式中:WH(θ)及WB(θ)為泵的兩個(gè)特性值;h為無量綱水頭;θ為相對(duì)流動(dòng)角;α、β、q分別為無量綱轉(zhuǎn)速、力矩和流量。以θ為橫坐標(biāo),WH(θ)及WB(θ)為縱坐標(biāo),就可得到水泵的全特性曲線,該曲線可以由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,也可由泵的制造商提供,在全特性曲線中可獲得任意時(shí)刻轉(zhuǎn)速、力矩和流量之間的關(guān)系。

按照集中模型準(zhǔn)則處理后,水泵水擊的計(jì)算模型如圖2所示[18]。圖中C+和C-分別表示管道水擊狀態(tài)下水流正向和負(fù)向兩組相容性微分雙曲線方程組;Δx和Δt分別為微分管長和時(shí)間;s-s和p-p是管道和水泵的接觸截面。由于通過管道和水泵的流量相同,符合管道水擊的水力相容性方程和實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行的全特性曲線方程就能共同描述整個(gè)水泵水擊過程。

圖2 水泵水擊特征線計(jì)算模型

2.1.2 氣阻氣團(tuán)引發(fā)的水擊

若管道駝峰處存在截留空氣,在輸水管道未經(jīng)排氣就立即充水的情況下(如水泵突然啟動(dòng)或上游閘門突然開啟),有壓水流高速?zèng)_擊氣團(tuán)的現(xiàn)象是無法避免的[19]。由于氣團(tuán)的存在使得上下游間水流出現(xiàn)阻塞,類似于閥門的快速關(guān)閉,因?yàn)樵摤F(xiàn)象是瞬時(shí)發(fā)生的,水壓上升很快,極易破壞管道。由此可見,氣阻不僅增大阻力,造成調(diào)水困難,消耗大量能量,也是引起管路中壓力震蕩、管路破裂并危及供水安全的原因。

2.2 海底輸水管道的水擊防護(hù)措施

在陸地長距離管道調(diào)水過程中,輸水管道的安全防護(hù)措施主要有3類:①沿管道布置減壓閥或減壓池,將壓力分級(jí)。②布置超壓泄壓閥、調(diào)壓塔,以防水擊造成的超壓事故。③在管道中布置真空破壞閥和注氣排氣閥,以減輕駝峰氣阻和截留氣團(tuán)的危害[20]。海底輸水管道工程一般可以利用中繼海島的陸地地形,參照陸地管道防護(hù)措施布置調(diào)壓池和空氣閥。海底環(huán)境的特殊性令常規(guī)的陸地安全防護(hù)措施難以采用,無法沿管線布置大量調(diào)壓及排氣設(shè)備,但空氣罐在輸水管道系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)和管路的一體性和密閉性,因此可以被采用[21]。

空氣罐和空氣閥不同:空氣閥允許外界大氣緩慢流進(jìn)、流出輸水管道以平衡管道內(nèi)的壓力,減輕水擊破壞,并不允許液體漏出;空氣罐中所封閉的是高壓空氣,通過空氣的壓縮和膨脹來削弱水擊壓力波動(dòng)?？諝夤蘅煞譃闅庖悍蛛x型和氣液非分離型(氣囊型),氣液非分離型空氣罐可以防止因空氣溶解于水中導(dǎo)致氣壓降低而削弱水擊防護(hù)效果[22]。

基于空氣罐的緩壓原理同樣可以建立水擊的特征線模型,空氣罐對(duì)管道水擊的削弱作用是可觀的,其計(jì)算模型如下[23]:

(7)

式中:Hp1、Hp2、HC分別為空氣罐上游、下游及罐中水頭;Qp1、Qp2、Qs分別為空氣罐上游、下游及空氣罐自身的流量。

空氣罐水頭方程見式(8):

(8)

式中:Hs、Hw、fs分別為罐中液體高度、罐內(nèi)空氣的相對(duì)水頭和孔口損失系數(shù);P為罐內(nèi)空氣的絕對(duì)壓強(qiáng);Pa為外界大氣壓;A為孔口斷面面積;φ為流量系數(shù),取值在0.6～0.8之間[24]。空氣罐的具體模型如圖3所示。

圖3 空氣罐計(jì)算模型示意圖

氣體多變過程方程如下:

(9)

式中:V為罐內(nèi)空氣體積;n為多變指數(shù),在1～1.4之間變化;C為罐內(nèi)氣體初始狀態(tài)常數(shù)。

一般認(rèn)為,壓縮空氣體積越大,壓縮空氣初始?jí)毫υ酱?對(duì)水擊的防護(hù)越有效,但過于強(qiáng)調(diào)這兩點(diǎn)意味著需要體積更大的罐體以及厚度更大、強(qiáng)度更大的罐壁材料,而這也通常被認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的[25]。出于該考慮,Kim[26]使用脈沖響應(yīng)法和遺傳算法獲得空氣罐參數(shù)的優(yōu)化解,優(yōu)化參數(shù)包括罐體在管道中的位置、管道直徑、罐體直徑,并用試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化解的合理性。Wan等[27]應(yīng)用MOC方法分析輸水管道中空氣罐的防護(hù)效果,結(jié)果表明孔口阻力系數(shù)對(duì)水擊防護(hù)也具有極高的優(yōu)化價(jià)值。

在管道起伏處設(shè)置空氣罐,當(dāng)管道中發(fā)生水擊后,管道內(nèi)壓力劇增,大量水體被壓入空氣罐中,使輸水管道中壓力降低,減輕了高壓危害;當(dāng)負(fù)壓出現(xiàn)時(shí),空氣罐將水體反向補(bǔ)充給輸水管道,提高了管線壓力,從而保證了海底輸水管道的水壓穩(wěn)定[28-29]。

3 結(jié) 語

海底輸水管道在地形起伏處容易形成駝峰氣阻,使得輸水能量損失很大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮海底地形和泵動(dòng)力,改變流量、流速和含氣率,控制水流形態(tài),以減少氣阻的形成,條件允許也可以通過智能系統(tǒng)自主調(diào)整運(yùn)行。

海底管道的水擊不僅與取水泵站和下游水庫水位有關(guān),也與管線沿程次級(jí)泵的運(yùn)作以及形成氣阻的截留氣團(tuán)相關(guān),但因?yàn)闊o法像陸地上一樣沿管線布置大量調(diào)壓及排氣設(shè)備,因此必須通過計(jì)算評(píng)估水擊形成的危害并選擇合適的安全防護(hù)措施?？諝夤拊诤５纵斔到y(tǒng)中有著特殊的優(yōu)勢,和管道一體化后,能實(shí)現(xiàn)海底封閉式供水,在長管線范圍內(nèi)起到削弱水擊危害的作用,適用于長距離、地形起伏多變的海底管道供水。

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Air lock and water hammer research progress of submarine water supply pipeline//

YU Yunqi, WAN Wuyi, PAN Jinhao

(DepartmentofHydraulicandOceanEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

The existing problems of hump air lock and water hammer in the projects of submarine water supply pipeline are harmful to the water supply target. Therefore, bubble theory and flow method are used to analyze the cause of hump air lock. By using method of characteristics, we establish a water hammer model caused by pump power failure in water supply pipeline, and introduce the protective measures against water hammer in submarine water supply pipeline. In addition, we point out that the integration of air tank and pipeline is possible for the special advantage of air tank in submarine water supply system. Furthermore, we introduce the mathematical model of air tank. Likewise, we observe that it is mandatory to ensure the submarine pipeline layouts on smooth terrain and pay full attention to the air tank protect technology, which are the keys to achieve safe operation of submarine water supply pipeline.

submarine pipeline; air lock; water hammer; air tank

國家自然科學(xué)基金(51279175)

俞韻祺(1989—), 男,江蘇無錫人,碩士研究生,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:21212105@zju.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.021

TV134.1; TV672

A

1006-7647(2015)03-0114-05

2014-04-15 編輯：駱超)