伊犁河揚水工程中空氣罐水錘防護的設(shè)計與優(yōu)化

翁湛等

摘要長距離輸水工程水錘問題日益突出，水錘防護難度大。針對伊犁河揚水工程存在的水錘問題，根據(jù)瞬變流基本理論，建立了空氣罐的水力分析模型，并結(jié)合工程實例對空氣罐的水錘防護方案進行了分析優(yōu)化。研究表明，通過理論設(shè)塔方法可以方便地得到空氣罐的初設(shè)方案，結(jié)合水力過渡過程分析對初設(shè)方案進一步優(yōu)化，可以在不影響水錘防護效果的情況下，顯著減小空氣罐的體型尺寸。

關(guān)鍵詞抽水斷電；水錘防護；空氣罐；輸水工程

中圖分類號S274.2；TV134+.1；TV672+.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-382-03

長距離輸水工程已經(jīng)成為當前水資源優(yōu)化配置的有效手段，但其引水流量大、受水區(qū)域廣、線路距離長，正常運行調(diào)度和事故應(yīng)急調(diào)度時，需要對泵、閘、閥等進行一系列復(fù)雜操作，并引起管道中壓力和流量的劇烈波動，導(dǎo)致水錘防護問題較為突出。由于輸水管道較長，除日常檢修維護困難外，事故響應(yīng)速度也相對遲緩，一旦管道發(fā)生破壞，將產(chǎn)生嚴重后果，輕則導(dǎo)致管線受損，重則導(dǎo)致管道爆管、水泵機組損毀，甚至全系統(tǒng)停水[1-3]。因此，輸水管道一般需采取多重水錘防護措施，以確保管道安全。同時，為保證各種防護措施的有效及可靠性，必要時還需進行多個防護措施的聯(lián)合控制。

常規(guī)雙向穩(wěn)壓塔水錘防護性能穩(wěn)定，但往往設(shè)置高度較高，投資很大，限制了其在輸水工程中的應(yīng)用，而空氣罐具有優(yōu)良的水錘防護性能，可以大大縮小調(diào)壓室的體型，受場地條件的限制較小，在輸水工程中應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。因此，基于有壓瞬變流理論，探討空氣罐的水力分析模型，結(jié)合工程實例進行空氣罐水錘防護方案的設(shè)計優(yōu)化分析，有利于空氣罐的工程設(shè)計與推廣應(yīng)用，對大型有壓輸水工程的水錘防護具有借鑒意義。

1工程概況

新疆伊犁河南岸干渠察布查爾縣揚水灌區(qū)東西長約50 km，南北寬約9 km，海拔高程800～1 000 m。項目區(qū)地形較平坦，南北向自然坡降1/30～1/50，東西向縱坡1/2 000～1/4 000。灌區(qū)凈灌面積3.07萬hm2（46萬畝）。整個灌區(qū)以較大的洪溝為界劃分為面積不等、相對獨立的3個小灌區(qū)，單獨設(shè)揚水站進行分級揚水，揚水總高度約為200 m。每個小灌區(qū)設(shè)4級泵站，共設(shè)12級泵站。設(shè)計揚程區(qū)間約在52～57 m之間，單級泵站管線長度在1 376～2 895 m之間，單級泵站設(shè)計流量在1.57～7.32 m3/s之間。

灌區(qū)各級泵站間均有分水無空流段，且灌區(qū)各灌溉區(qū)間流量要求變幅較大。為滿足灌溉流量調(diào)節(jié)的要求各泵站裝設(shè)的水泵大小和臺數(shù)均不同，各泵站的每根上水管線都并聯(lián)有不同型號的多臺水泵。其中第一級泵站工程左管安裝4臺臥式雙吸離心泵（2臺大泵和1臺中泵工作，1臺小泵備用），大泵單機流量1.66 m3/s，轉(zhuǎn)速730 r/min，配套電機功率1 400 kW；中泵單機流量0.55 m3/s，轉(zhuǎn)速1 450 r/min；小泵單機流量0.2 m3/s，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，配套電機功率220 kW，揚程56.64 m。輸水管線采用PCCP管單管供水，直徑為1.6 m，長度約3.0 km。該文主要針對第一級泵站工程的空氣罐水錘防護進行分析。

4空氣罐水錘防護方案

根據(jù)空氣罐的水錘防護機理，結(jié)合相關(guān)工程的實踐經(jīng)驗，當采用空氣罐作為工程的水錘防護措施時，通常以水泵抽水斷電的事故工況作為空氣罐方案設(shè)計的控制工況。根據(jù)水錘波的傳播特性和管線的布置特點，制定出空氣罐的初設(shè)方案，并需要借助瞬變流分析理論，對初設(shè)方案進行優(yōu)化。

4.1計算工況的選擇

第一級泵站工程輸水管線采用PCCP管單管供水，直徑為1.6 m，長度約3.0 km。前池為供水起點，正常水位823.02 m；出水池作為供水終點，正常水位87184 m，總供水量為3.87 m3/s。以第一級泵站水泵斷電作為控制工況進行計算分析，由于為單管供水，因此水泵抽水斷電后將沒有補給水源為該輸水管線供水，如不采取穩(wěn)壓措施，該輸水管線可能發(fā)生負壓破壞。

4.2空氣罐初設(shè)方案的確定

4.2.1泵后不設(shè)空氣罐的計算。由于第一級泵站及其輸水系統(tǒng)全長約3.0 km，水錘波速約750 m/s，在不設(shè)置空氣罐的無調(diào)壓措施情況下系統(tǒng)發(fā)生水錘時，水錘波的相長約8 s，意味著當水泵抽水斷電時，8 s內(nèi)流量變化所產(chǎn)生的泵后壓力降低，將按照直接水錘公式變化，由此產(chǎn)生較大的水錘壓力，直接水錘公式如下：

ΔH=agΔv（11）

式中：△v為輸水管線8 s之內(nèi)的流速變化。

由圖1可知，在泵后不設(shè)空氣罐的無調(diào)壓措施情況下，泵站抽水斷電時，泵后輸水管道3 s內(nèi)的流量由3.87 m3/s變化到2.37 m3/s，由此導(dǎo)致輸水干管流速由1.93 m/s下降至1.18 m/s，下降約0.75 m/s，按照式（11），可能導(dǎo)致壓力下降約563.1 kPa。

由于理論分析忽略了斷電水泵運行水泵之間的壓力傳遞，計算結(jié)果略大于理論分析值，但計算結(jié)果的波形與理論分析基本一致。由于泵后產(chǎn)生了約588.6 kPa左右的壓力下降，該壓力波的傳播，將導(dǎo)致泵站后的輸水管路沿線出現(xiàn)較嚴重負壓。沿線由于初始壓力較低，樁號0+692、1+418、2+118等處壓力可能降低至水流汽化壓力以下，將導(dǎo)致管道破壞。

從圖3、4可看出，1-1泵站后無調(diào)壓措施時，1-1泵站抽水斷電時，泵后沿線將產(chǎn)生遠大于汽化壓力的負壓，故需在1-1泵站后沿線設(shè)置平壓措施，尤其在管道后面由于管中初始壓力很低，水錘壓力一旦通過時產(chǎn)生的壓力降低將直接導(dǎo)致水流汽化。

4.2.2泵后設(shè)置空氣罐的計算。綜合考慮地形條件、施工難度及工程造價等因素，在擬定空氣罐的體型尺寸時，空氣罐高度限制在10 m以內(nèi)，面積設(shè)置在25 m2以內(nèi)。選取了2個對比方案進行比選，初擬的空氣罐體型尺寸方案如下。

水管附近設(shè)置空氣罐方案，泵后壓力下降幅值與速度得以有

效控制，水錘壓力基本被空氣罐隔斷，管道內(nèi)的壓力不會降至負壓，并存在一定余量。2種空氣罐的設(shè)置方案均可滿足沿線無負壓以及事故停泵過程中泵后壓力允許上升值為水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍的規(guī)范要求，事故停泵過程中的最小水深分別為0.3和0.18 m。在水錘防護效果相差不大的情況下，方案1的空氣罐體積為200 m3，方案2的空氣罐體積為175 m3，綜合考慮方案2為推薦方案。

5結(jié)論

通過對伊犁河揚水工程的空氣罐防護方案進行理論和實例分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）空氣罐具有良好的負壓防護性能，空氣罐水錘防護方案應(yīng)通過理論分析和水力過渡過程數(shù)值計算來確定；

（2）空氣罐的體型設(shè)計與輸水系統(tǒng)的具體布置和水泵特性密切相關(guān)，應(yīng)進行多方案的優(yōu)化比選；

（3）空氣罐的布置應(yīng)盡量靠近泵站，則在有壓輸水系統(tǒng)發(fā)生抽水斷電事故后，泵后閥門可以做到較快速關(guān)閉；

（4）考慮到泵后閥門關(guān)閉需要一定的時間，必須具有合理的容積，以保證空氣罐在整個過渡過程中不漏空，避免因漏空而導(dǎo)致管線出現(xiàn)負壓。

參考文獻

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