高揚(yáng)程多起伏長距離供水工程水錘計(jì)算分析

郎　穎

(撫順市水利勘測設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 撫順　113008)

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高揚(yáng)程多起伏長距離供水工程水錘計(jì)算分析

郎穎

(撫順市水利勘測設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 撫順113008)

以撫順市補(bǔ)水泵站輸水管路系統(tǒng)為例，對管路系統(tǒng)水錘進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了有效防止水錘發(fā)生的防護(hù)方案，保證了管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

輸水管道； 水錘； 計(jì)算； 防護(hù)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，生產(chǎn)、生活對水的需求量也越來越大。然而由于水資源在時(shí)空分布上的不均衡和日益嚴(yán)重的污染等問題，造成了區(qū)域內(nèi)水的供需矛盾日益嚴(yán)峻[1-2]。因此，中國規(guī)劃建設(shè)了一些長距離的輸水工程，主要有明渠和管道兩種[3]。在長距離的輸水工程中，地形往往比較復(fù)雜，地勢通常也有很大的起伏，而且由于輸水的距離很長。管道中的水流在壓力的作用下通常處于非穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，在管道拐彎或變徑等部位水流會(huì)發(fā)生流速的急劇變化[4]。在慣性的作用下水流也會(huì)造成管道內(nèi)壓力急劇變化，發(fā)生水錘現(xiàn)象。隨著長距離輸水管道的逐漸增多，如何避免水錘現(xiàn)象引發(fā)事故，就成為了保證泵站、管道及沿線安全的重要內(nèi)容。因此在對輸水管道中的流態(tài)特點(diǎn)、水錘發(fā)生的機(jī)理和水錘的防護(hù)特點(diǎn)等方面研究的基礎(chǔ)上，通過水錘計(jì)算的基本理論和方法，以撫順市輸水工程為例，進(jìn)行輸水管路系統(tǒng)的水錘分析計(jì)算，對保障輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行、地方水源系統(tǒng)的穩(wěn)定和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

1　水錘防護(hù)特征分析

1.1輸水管道流態(tài)特點(diǎn)

長距離的輸水管道通常具有揚(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。因此根據(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。輸水管線在不同工況下的水流流態(tài)和氣水流向之間的關(guān)系如下表所示。

管道水流流態(tài)和氣水流向關(guān)系表

根據(jù)表1和氣液兩相流的理論，充水工況下，壓力管道水平段通常呈現(xiàn)為層狀流，其次為波狀流，最后為段塞流，特殊條件下會(huì)出現(xiàn)氣團(tuán)流、泡沫流和環(huán)狀流等不穩(wěn)定的流態(tài)，這三種流態(tài)最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?；泄水工況下，管道中的流態(tài)基本都是層狀流，偶爾出現(xiàn)波動(dòng)流；正常運(yùn)行工況下，管道中依次為氣團(tuán)流、泡沫流和段塞流，由于氣團(tuán)流和泡沫流不穩(wěn)定，最終管道中會(huì)呈現(xiàn)段塞流形態(tài)。在有水錘現(xiàn)象等特殊條件下，管道中會(huì)出現(xiàn)氣團(tuán)流、泡沫流以及環(huán)狀流等交替出現(xiàn)的復(fù)雜情況。在升坡段的管道最高點(diǎn)、降坡段的管壁、水平段的管頂內(nèi)壁和管道變陡點(diǎn)等處，會(huì)出現(xiàn)氣囊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻斷水流。

1.2輸水管道水錘防護(hù)特點(diǎn)

長距離輸水管道通常是依靠水泵將水在管道中輸送的，因此在進(jìn)行水錘防護(hù)時(shí)，需進(jìn)行啟泵和停泵水錘防護(hù)，還要進(jìn)行管道水錘防護(hù)。在輸水管道未充滿水或停泵時(shí)管道內(nèi)水排空的情況下，啟動(dòng)水泵，由于管道中的空氣不能及時(shí)排出，會(huì)使管道中的壓力水頭急劇變化，形成水錘現(xiàn)象[4]。在突然停電或其他原因造成水泵運(yùn)行時(shí)不能繼續(xù)正常工作，管道內(nèi)水流速度會(huì)產(chǎn)生急劇的變化，加之管道中的空氣不能及時(shí)排出，水流發(fā)生壓力急驟交替升降，形成水錘。壓力輸水管道在突然停泵或關(guān)閥后，其內(nèi)的水流流速急劇變化，會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生一系列的壓力急劇升降的波動(dòng)過程，形成水錘。一般有升壓破壞、降壓破壞和先降壓破壞再升壓破壞等破壞形式。

2　水錘計(jì)算基本理論

2.1水錘微分方程式

按照彈性水柱及其相關(guān)理論，水錘基本微分方程式由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程組成，能全面地反映壓力管道中非恒定流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基本方程見公式(1)和公式(2)。

運(yùn)動(dòng)方程式：

(1)

連續(xù)方程式：

(2)

式中H——管路系統(tǒng)中某結(jié)點(diǎn)的水頭，m；

f——管路摩阻系數(shù)；

V——管內(nèi)流速，m/s，流向閥門為正；

α——管路與水平面的夾角；

a——水錘波的傳播速度，m/s；

x——位置坐標(biāo)，指向閥門為正。

由于式(1)和式(2)比較復(fù)雜，在實(shí)際工程中往往難以利用，實(shí)際情況下當(dāng)壓力管道內(nèi)發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)，水錘的波速通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的流速，此時(shí)可以忽略水的流速影響，此外只考慮水錘引起的升降壓時(shí)，高差引起的水頭變化也可忽略，這樣上述兩個(gè)公式就可以簡化為式(3)和式(4)的形式。

運(yùn)動(dòng)方程式：

(3)

連續(xù)方程式：

(4)

2.2特征線法

特征線法是指將流動(dòng)暫態(tài)的偏微分方程式，利用斜率固定不變的特征線，轉(zhuǎn)化為特定形式的全微分方程式組，然后對全微分方程式組進(jìn)行積分，得到有限差分方程式，然后根據(jù)管路系統(tǒng)的各種邊界條件，通過編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行分析計(jì)算的方法[6]。特征線方程：

(5)

(6)

在實(shí)際工程中，管道內(nèi)水流流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水錘的波速，因此可以忽略流速項(xiàng)的影響，上述特征線方程組可以簡化為：

(7)

(8)

3　工程實(shí)例分析

3.1工程概況

撫順市補(bǔ)水泵站輸水管路系統(tǒng)為水庫至自來水廠的壓力輸水管線，揚(yáng)程高，管線沿線地形起伏大。供水的總高差為156m，設(shè)計(jì)流量0.2m3/s，線路管道全長8.5km，泵站前水池水位標(biāo)高1897m，輸水管道末端出水口中心標(biāo)高2053m。水泵型號(hào)：SLOW250-610×2B；電機(jī)型號(hào)：Y500-4 (IP23-800kW-10kV)；額定揚(yáng)程180m；額定流量0.3m3/s；額定轉(zhuǎn)速1480r/min；額定效率81%。管道材料的彈性模量2.1×1010Pa，體積彈性系數(shù)2.1×109kg/m3，管道內(nèi)水錘波的傳播速度500m/s。

3.2管路系統(tǒng)水錘分析計(jì)算

在水錘分析計(jì)算之前，首先對具體管道縱斷面布置及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力線進(jìn)行推算，結(jié)果如圖1所示。

圖1　管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況壓力分布

本次主要分析了以下幾種情況下管道內(nèi)的水錘包絡(luò)線：?只在管道末端安裝緩閉止回閥，其快關(guān)角度為70°，快關(guān)時(shí)間為10s，總關(guān)時(shí)間為120s，此情況下的水錘包絡(luò)線如圖2所示；?制定樁號(hào)處(0+136、0+817、1+570、2+350、3+033、3+984、4+520、5+275、5+955、6+631、7+330、8+380)安裝緩沖排氣閥，在管道末端安裝緩閉止回閥，其快關(guān)角度為70°，快關(guān)時(shí)間為10s，總關(guān)時(shí)間為120s，緩沖閉合流速0.5m/s，此情況下的水錘包絡(luò)線如圖3所示；?管道緩閉止回閥的位置和參數(shù)與前兩種情況相同，另外在樁號(hào)6+200處安裝超壓泄壓閥，此情況下的水錘包絡(luò)線如圖4所示；?管道緩閉止回閥的位置和參數(shù)與前幾種情況相同，沿管道每間隔800m安裝緩沖閥，緩沖閉合流速0.5m/s，另外在樁號(hào)6+200處安裝箱式雙向調(diào)節(jié)塔，此情況下的水錘包絡(luò)線如圖5所示。

圖2　管路末端安裝緩閉止回閥時(shí)的水錘包絡(luò)線

圖3　指定樁號(hào)安裝緩沖排氣閥時(shí)的水錘包絡(luò)線

圖4　指定樁號(hào)安裝超壓泄壓閥時(shí)的水錘包絡(luò)線

圖5　指定樁號(hào)安裝箱式雙向調(diào)壓塔和緩沖排氣閥時(shí)的水錘包絡(luò)線

由圖2可知，只在管路末端安裝緩閉止回閥時(shí)，會(huì)導(dǎo)致斷流彌合水錘升壓，其升壓在2100m以上，升壓超過管道的承壓范圍，爆管的概率大大增加，必須采取其他防護(hù)措施。由圖3可知，在緩沖閉合流速0.5m/s時(shí)，管道后段部分壓力小于其承壓值，其余管道的斷流彌合水錘升壓仍然較大，緩沖排氣閥起到的作用有限，管道的升壓仍未達(dá)到管道的承壓范圍以內(nèi)，仍需采取進(jìn)一步的防護(hù)措施。由圖2和圖3對比可知，安裝緩沖排氣閥后最大水錘升壓有一定的降低，管路的負(fù)壓狀況得到了改善，消弱了斷流彌合水錘形成的負(fù)壓。

由圖4可知，在雙向調(diào)節(jié)塔附近管段的最大水錘壓力明顯降低，但其他管段的部分最大壓力仍然超過管道承壓值且變化比較劇烈，在停泵時(shí)極易爆管，且仍然存在彌合水錘升壓。還需增加其他防護(hù)措施。

由圖5可知，管道內(nèi)水錘升壓變化基本相同，最大水錘壓力均在2100m以下，已小于管道承壓值，且最低壓力也高于中心線標(biāo)高，全線基本無負(fù)壓，能平穩(wěn)安全地運(yùn)行，說明緩閉止回閥、緩沖排氣閥和箱式雙向調(diào)節(jié)塔能有效地降低管道的最大水錘升壓和防止斷流彌合水錘。

4　結(jié)　論

對撫順市補(bǔ)水泵站輸水管路系統(tǒng)采取不同防護(hù)措施的分析表明：只在管路末端安裝緩閉止回閥時(shí)，會(huì)導(dǎo)致斷流彌合水錘升壓，升壓超過管道的承壓范圍；安裝緩沖排氣閥起到的作用有限，管道的升壓仍未達(dá)到管道的承壓范圍以內(nèi)，最大水錘升壓有一定的降低，管路的負(fù)壓狀況得到了改善；在超壓泄壓閥附近管段的最大水錘壓力明顯降低，但其他管段的部分最大壓力仍然超過管道承壓值且變化比較劇烈；安裝緩閉止回閥、緩沖排氣閥和箱式雙向調(diào)節(jié)塔，管道內(nèi)最大水錘壓力已小于管道承壓值，說明能有效地降低管道的最大水錘升壓和防止斷流彌合水錘。

[1]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):34-38,46.

[2]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.

[3]馬曉立.新疆福?？h小洼漕草料基地建設(shè)項(xiàng)目中自壓滴灌技術(shù)的應(yīng)用[J].水資源開發(fā)與管理,2015(3):70-72,28.

[4]欒俊亮,伏世紅,宿祺.太平灣供水工程水錘數(shù)值模擬分析[J].東北水利水電,2015(5):6-7,71.

Analysis on water hammer calculation of high lift long-distance water supply project with many ups and downs

LANG Ying

(FushunWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Fushun113008,China)

Fushun filling water pumping station water conveyance pipeline system is adopted as an example for analyzing and calculating water hammer of pipeline system. Protection plan for effectively preventing water hammer is proposed according to calculation result, thereby ensuring safety operation of pipeline system.

water conveyance pipe; water hammer; calculation; protection

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)09- 0036- 06