支管對(duì)長距離輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)的影響

喬恩春

（昌吉市三屯河流域管理處，新疆昌吉 831100）

?

支管對(duì)長距離輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)的影響

喬恩春

（昌吉市三屯河流域管理處，新疆昌吉 831100）

【摘 要】長距離輸水系統(tǒng)中，支管對(duì)其水錘壓力有直接影響。本文基于國內(nèi)外研究情況，構(gòu)建帶支管供水系統(tǒng)水錘計(jì)算模型。以三屯河灌區(qū)節(jié)水改造工程長距離輸水工程為例，對(duì)有無支管水錘防護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出最佳防護(hù)方案。研究表明：緩沖排氣閥設(shè)置在指定樁號(hào)，緩閉止回閥設(shè)置于水泵出口，同時(shí)增加箱式雙向調(diào)壓塔可有效減小水錘危害。

【關(guān)鍵詞】長距離輸水；帶支管輸水管道；水錘防護(hù)；輸水質(zhì)量

在壓力管道中的水流，如果其流速發(fā)生劇烈變化，會(huì)導(dǎo)致其壓力分布發(fā)生劇烈變化，從而對(duì)管道造成一種“錘擊”，這就是水錘現(xiàn)象。長距離輸水管道具有揚(yáng)程高、流量大、管線長、壓力大、沿線起伏多等特點(diǎn)。壓力輸水管道中的水流在不同的工況下往往呈現(xiàn)出不同的復(fù)雜狀態(tài)，為研究帶來了很大的困難。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和基本規(guī)律，將輸水管線的縱斷面分為升坡段、水平段、降坡段、高點(diǎn)、低點(diǎn)和變陡點(diǎn)。根據(jù)氣液兩相流理論，壓力輸水管道中水流狀態(tài)可以分為層狀流、波狀流、段塞流、氣團(tuán)流、泡沫流和環(huán)狀流。水錘是一種非穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，它會(huì)對(duì)輸水管道造成嚴(yán)重的破壞［1］。如下頁表1所列，在長距離輸水工程建設(shè)和管理實(shí)踐中，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)將水錘分為9種基本類型［2］。本文將對(duì)長距離輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)中有無支管所受到的影響進(jìn)行研究，希望能夠?qū)Ω纳扑N防護(hù)方案有積極影響。

表1　水錘現(xiàn)象的分類

1 帶支管水錘計(jì)算模型

1.1 水錘波特征計(jì)算

對(duì)于存在分叉的輸水管道，水錘在通過分叉時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射特征，因此支管對(duì)水錘壓力計(jì)算結(jié)果有著重要影響。如圖1所示，管道（1）有管道（2）和管道（3）兩處分叉，各自的水錘波速度為a1、a2和a3。

圖1　波在分叉管處的反射與通過

對(duì)管道（1），其水錘波速度、水錘壓力等變量存在以下等式關(guān)系［3］：

對(duì)管道（2）和管道（3），其水錘波速度、水錘壓力存在以下等式關(guān)系：

式中 F——水錘直接波，不同的下腳標(biāo)代表不同管道；

f——水錘反射波，不同的下腳標(biāo)代表不同管道；

H0——輸水管道的初始?jí)毫χ担?/p>

V0——輸水管道內(nèi)水流的初始流速；

x——監(jiān)測點(diǎn)與初始點(diǎn)（x=0）之間的距離值；

H1x、H2x、H3x——管道（1）、管道（2）和管道（3）中任意x點(diǎn)的水錘壓力值；

V1x、V2x、V3x——管道（1）、管道（2）和管道（3）中任意x點(diǎn)的水流速度。

分叉點(diǎn)處，水錘壓力值、水流速度等參數(shù)存在以下關(guān)系：

對(duì)式（1）、式（2）、式（3）和式（4）聯(lián)立求解，有

式中 S1——通過系數(shù)；

r1——反射系數(shù)。

令

可得

1.2 停泵時(shí)水錘特征計(jì)算

在水利工程中，通常采用三通管道裝置支管，當(dāng)發(fā)生停泵時(shí)，增壓波計(jì)算公式為：

式中 a——水錘波速；

f——過水?dāng)嗝嫦禂?shù)；

r——水錘反射系數(shù)；

W0——增壓波。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本研究中的長距離輸水工程管道設(shè)計(jì)流量1.3m3/s，設(shè)計(jì)總長度62km，包含一條主干管道以及若干條支干管道。全部工程擬分兩期完成，其中第一期需要完成10.5km的主干管道及11.5km的支干管道。支干、主干沿線均設(shè)計(jì)有井室、檢修閥以及排氣閥。

2.2 有無支管水錘防護(hù)方案對(duì)比

該輸水工程工況1、工況2的管道參數(shù)分別如表2、表3所列。工況1只有主干管和南支干管輸水；工況2中主干管、南支干管、北支干管均通水運(yùn)行。

表2　工況1的管道參數(shù)

表3　工況2的管道參數(shù)

在對(duì)工況1進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將南支干、主干管道視為主干管道，計(jì)算干管長13.85km，計(jì)算總長13.85km；在對(duì)工況2進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將南支干、主干管道視為主干管道，將北支干作為支干管道，計(jì)算干管長13.85km，支管長8.3km，計(jì)算總長22.15km。通過計(jì)算，工況1的管道縱斷面簡圖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力情況如圖2所示，工況2的管道縱斷面簡圖、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力情況如圖3所示。

本文提出的水錘防護(hù)方案：在指定樁號(hào)處設(shè)置緩沖排氣閥，將緩閉止回閥設(shè)置在水泵出口，并增加箱式雙向調(diào)壓塔。

圖2　工況1的管道縱斷面簡圖及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行圖

圖3　工況2的管道縱斷面簡圖及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行圖

緩沖閉合流速設(shè)計(jì)為0.3m/s。在總關(guān)時(shí)間360～60s、快關(guān)時(shí)間10～5s、快關(guān)角度為70°～60°時(shí)，通過模擬計(jì)算可以得到工況1、工況2管道內(nèi)的水錘壓力變化趨勢圖。

在總關(guān)120s、快關(guān)角度70°、快關(guān)時(shí)間20s、調(diào)壓塔閉合流速0.3m/s時(shí)，工況1的水頭壓力包絡(luò)線如圖4所示；在總關(guān)120s、快關(guān)角度70°、快關(guān)時(shí)間20s、調(diào)壓塔閉合流速0.3m/s、樁號(hào)12 +250和0 +000處設(shè)置雙向調(diào)壓塔時(shí)，工況2的水頭壓力包絡(luò)線如圖5所示。

圖4　工況1情形下管線的水頭壓力包絡(luò)線

圖5　工況2情形下管線的水頭壓力包絡(luò)線

通過比較工況1和工況2的水錘壓力變化圖，可以發(fā)現(xiàn)：

a.工況1所需要的雙向調(diào)壓塔數(shù)量少于工況2。

b.工況1、工況2都成功地將水錘壓力控制在管道承壓上限之下，二者都具有理想的降壓性能，閥門對(duì)管道壓力的影響極小，幾乎可以忽略。

c.該方案在長距離輸水管道水錘防護(hù)方面的效果較好，能夠使管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 最佳水錘防護(hù)措施

3.1 最佳防護(hù)措施說明

本研究中水錘防護(hù)方案設(shè)置的箱式雙向調(diào)壓塔不僅能夠有效地控制水錘壓力，而且可以通過注水作業(yè)在降水高峰期調(diào)節(jié)洪峰，從而對(duì)抗洪工作有間接作用。與超壓泄壓閥不同，箱式雙向調(diào)壓塔能夠擺脫對(duì)先導(dǎo)閥、外導(dǎo)管的依賴，通過直接活塞控制來避免設(shè)備保護(hù)拒動(dòng)；極小的回位誤差能夠提升調(diào)壓塔的反應(yīng)速度，對(duì)管道內(nèi)壓力變化及時(shí)反應(yīng)，從而縮短水錘的形成及持續(xù)時(shí)間；箱式雙向調(diào)壓塔對(duì)所有類型水錘都具備防護(hù)功能，尤其是在升壓水錘防護(hù)中具備十分理想的效果。

3.2 設(shè)備技術(shù)要求

緩沖排氣口徑越大，負(fù)壓處理性能就越良好。盡量保證管道注氣的充足性，將管道負(fù)壓水頭降低在3.5m以下，保持管道內(nèi)水壓具備良好的穩(wěn)定條件。另外，排氣閥排氣速度需要穩(wěn)定，且排氣能力始終足夠大，在避免對(duì)管道水流速度造成波動(dòng)的同時(shí)，也要防止管道內(nèi)存有的注射氣體過大造成氣體堵塞。

箱式雙向調(diào)壓塔的泄壓值必須高于其安裝處水壓最大值且需保持恒定。當(dāng)輸水管道內(nèi)部壓力出現(xiàn)異常時(shí)，箱式雙向調(diào)壓塔做出及時(shí)反應(yīng)，直接對(duì)管道壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶可以根據(jù)自身需要對(duì)箱式雙向調(diào)壓塔進(jìn)行緩閉，且可以調(diào)整緩閉時(shí)間長度。箱式雙向調(diào)壓塔運(yùn)行過程中，不發(fā)生震顫和撞擊，確保設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。用戶可以為箱式雙向調(diào)壓塔增加輔助水箱，以應(yīng)對(duì)調(diào)壓用水量異常情況。

4 結(jié) 論

在遠(yuǎn)距離輸水工程中，通常需要設(shè)置若干支干管道。相比較于只運(yùn)行一條主干管道的情形，支干管道的設(shè)置和運(yùn)行會(huì)提升管道水錘壓力復(fù)雜性。結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展，構(gòu)建了帶支管供水系統(tǒng)水錘計(jì)算模型，以三屯河灌區(qū)節(jié)水改造工程為例，對(duì)有無支管水錘防護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出最佳防護(hù)方案。研究表明：為了更好地進(jìn)行主干管道、支干管道水錘防護(hù)，需要設(shè)置更多的箱式雙向調(diào)壓塔。因此，在制訂管道水錘防護(hù)方案時(shí)，需要將支干因素納入水錘計(jì)算模型中，從而提升輸水工程整體水錘防護(hù)方案的精確性?！?/p>

參考文獻(xiàn)

［1］ 楊宇.長距離有壓輸水系統(tǒng)防水錘設(shè)計(jì)探析［J］.水利建設(shè)與管理，2015（9）：35-37.

［2］ 楊樹紅.烏魯瓦提水電站抗磨蝕防護(hù)技術(shù)探討［J］.中國水能及電氣化，2013（7）：34-38.

［3］ 呂歲菊，馮民權(quán)，李春光.有壓輸水系統(tǒng)停泵水錘數(shù)值模擬及其防護(hù)研究［J］.人民黃河，2013（11）：124-126.

Influence of branch pipe on long-distance water conveyance system water hammer protection

QIAO Enchun
（Changji Santun River Basin Management Office，Changji831100，China）

Abstract:Branch pipe has direct influence on thewater hammer pressure in long-distancewater conveyance system.In the paper，water hammer calculation model with branch pipewater supply system is constructed based on domestic and foreign research situation.Santun RiverWater-saving Improvement Project long-distance water conveyance project is adopted as an example.The water hammer protection planswith orwithoutwater hammer are comparatively analyzed.The best protection plan is obtained.Research shows that buffering exhaust valve is installed in the specified pile number.The slow closure check valve is set in the outletofwater pump.Meanwhile，box-type two-way pressure regulating tower can be increased for effectively reducing the damage caused by water hammer.

Key words:long-distance water conveyance；water pipelinewith branch pipe；water hammer protection；water conveyance quality

DOI：10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.04.008

中圖分類號(hào)：TV672 +.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774（2016）04-0032-04