密云水庫調(diào)蓄工程有壓輸水管道事故停泵過程水錘模擬分析

盧龍彬，雷曉輝，田 雨，孫嘉斌

(1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院, 北京 100124；2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

我國水資源分布不均，水污染嚴重且浪費現(xiàn)象嚴重，為了解決日益加劇的水資源供需矛盾，滿足水質要求，近年來，我國大力建設大型長距離輸水工程，這類工程與其他工程相比具有距離長、起伏嚴重、環(huán)境地質復雜等特點，加之實際運行時工況較多且水源和用戶高差往往較大，在沒有任何防護措施的情況下發(fā)生水錘事故破壞的概率是相當之大的[1]。因此，針對高揚程、多起伏的長距離輸水管線進行有效的水錘防護，使其免遭水錘破壞，是亟需解決的問題，當前所研究的重點是如何有效的消除斷流彌合水錘及事故停泵時的直接水錘[2]。

水錘是有壓管道內(nèi)流體運動速度驟然發(fā)生變化而引起的水壓力劇烈變化的瞬態(tài)過程，水錘現(xiàn)象的延續(xù)雖然很短暫，但其造成的破壞是不容小覷的；因此，研究水錘計算及其防護措施，對提高設計水平、保證設備安全運行有重要意義。目前，國外的水錘分析軟件主要有FLOWMASTER[3]，SURNAL，PIPE：Surge系列軟件[4]，Bentley. Hammer[5]等，Stephenh和Lee等[6]對空氣閥的水錘防護性能進行了研究；Chaudhry[7]則以高揚程兩級提水工程為例，介紹了單向調(diào)壓塔在輸水系統(tǒng)中的實際應用；國內(nèi)主要是金雛[8]、謝永波[9]、楊遠東[10]等人根據(jù)彈性水柱理論，建立水錘過程的運動方程、連續(xù)方程，開發(fā)出基于QBasic電算法程序的計算模型；楊曉東、朱滿林等[11]據(jù)長距離壓力輸水系統(tǒng)和多點布置進排氣閥的特點，結合當量管道法和調(diào)整波速法，建立了水錘計算中的自動分段方法，同時將其用于進排氣閥的水錘過程計算；梁建軍、何強等[12]也基于PIPE2008：Surge軟件對超高揚程取水工程的停泵水錘進行了研究；楊玉思、徐艷艷等[13]根據(jù)長距離高揚程多起伏輸水管道系統(tǒng)的特點和多年實踐經(jīng)驗，并結合北方某市供水工程實例進行水錘防護優(yōu)化和計算,提出有效的水錘防護措施；馮婷、賈亞軍等[14]分析了串聯(lián)加壓梯級泵站水錘的各種成因及其過程，提出采取設置帶止回裝置的旁通管的方式消除因泵站事故引起的高壓水錘；王川江[15]針對新疆準東五彩灣供水工程實際情況，結合停泵水錘計算，最終找出合理、經(jīng)濟、有效的水錘防護措施；熊水應、關興旺等[16]總結多年來的研究成果,論述了多處水柱分離與斷流彌合水錘綜合防護設計中的幾個基本問題，并詳細地給出Z市遠距離輸水工程水錘分析與綜合防護的設計實例。

本文以南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程中雁棲泵站至溪翁莊泵站段有壓輸水管道工程為例，根據(jù)現(xiàn)有的液控緩閉閥+空氣閥防護措施，采用現(xiàn)有Bentley. Hammer計算軟件針對管道最不利工況(即水泵機組因突然斷電或其他原因停機工況)供水管線水錘發(fā)生過程進行模擬，驗證既有水錘消除組件是否能夠達到水錘防護效果，保證供水安全，從而為后期的引水工程投運后的實際運行和供水調(diào)度提供技術支持。

1 水錘計算模型

1.1 水錘基本方程

對有壓管道而言，不論在何種情況下都應滿足水流的運動方程及連續(xù)方程。當水管材料、厚度及直徑沿管長不變時，其運動方程為：

(1)

將管道材料及水體當作彈性體考慮，其連續(xù)方程為：

(2)

式中：H為壓力水頭；V為管道中的流速，向下游為正；a為水錘波傳播速度；f為水流摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑；x為距離，其正方向與流速取為一致；t為時間。

(4)

式(3)和式(4)為一組雙曲線型偏微分方程，其通解為：

(6)

式中：H0和V0為初始水頭和流速；F和f分別為兩個波函數(shù)，其量綱與水頭H相同，故可視為壓力波。F(t-x/a)表示以波速a沿x軸負方向傳播的壓力波，即逆水流方向移動的壓力波，稱為逆流波；f(t+x/a)表示以波速a沿x軸正方向傳播的壓力波，即順水流方向移動的壓力波，稱為順流波。

圖1 水擊計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation of water hammer

1.2 邊界條件

應用水錘基本方程計算壓力管道中水錘時，首先要確定其起始條件和邊界條件。

(1)初始條件。當管道中水流由恒定流變?yōu)榉呛愣鲿r，把恒定流的終了時刻看作為非恒定流的開始時刻。即當t=0時，管道中任何斷面的流速V=V0；如不計水頭損失，水頭H=H0。

(2)邊界條件。主要包括上游為水池邊界、下游為水池邊界、泵端邊界、緩閉閥邊界等，通過水頭平衡及轉速變化方程建立輸水系統(tǒng)各種組件的邊界的邊界條件[17-19]。

2 工程實例

2.1 工程概況

雁棲泵站～溪翁莊泵站段輸水工程設計規(guī)模為43.2 萬m3/d，設計揚程為56.2 m，布置3臺臥式單級雙吸離心泵(2用1備)，水泵參數(shù)見表1，水泵性能曲線見圖2；管道剖面及空氣閥布閥位置如圖3所示，輸水主管道均采用DN2600PCCP管，管線總長約為21.6 km。經(jīng)驗表明，不加分析地按常規(guī)運行操作這類輸水系統(tǒng)極易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象和造成爆管事故不斷。為保證系統(tǒng)安全運行，特對該引、輸水管路系統(tǒng)進行水力瞬變過程分析計算。

表1 水泵基本參數(shù)Table1 Basic parameters of pump

圖2 水泵性能曲線Fig.2 Pump performance curve

圖3 管道剖面Fig.3 Profile of Pipe

2.2 穩(wěn)態(tài)水力計算

其具體輸水穩(wěn)壓線如圖4所示：管路穩(wěn)態(tài)運行時需要達到設計水量，滿足末端水壓要求，并能安全運行經(jīng)計算穩(wěn)態(tài)時流量約為5.08 m3/s，滿足要求。

圖4 穩(wěn)態(tài)水頭線Fig.4 Steady water head line

2.3 事故停泵閥門拒動工況計算

當系統(tǒng)因突然斷電或其他原因突然導致發(fā)生事故停泵，此時的水錘的破壞最嚴重，因此本節(jié)根據(jù)原有空氣閥布閥方案，針對系統(tǒng)事故掉電且緩閉止回閥不能正常關閉(即閥門拒動)的事故工況進行模擬分析，模擬時間為600 s，相應水泵相對流量與相對轉速變化曲線、水泵出口與緩閉閥閥后壓力變化曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 水泵相對流量與相對轉速變化曲線Fig.5 The change curve of relative flow and relative speed of pump

圖6 水泵出口壓力變化曲線Fig.6 Pressure change curve of pump outlet

經(jīng)模擬計算可知，水泵在115.3s流量開始變?yōu)榱悖?34 s水泵開始發(fā)生倒轉，水泵最大反轉轉速為287 r/min，小于額定轉速(495 r/min)，滿足設計規(guī)范要求，最大反轉流量為2.433 m3/s，管道最大壓力為67 m H2O，最小壓力-3.6 m H2O；未采取任何措施工況下系統(tǒng)壓力水頭包絡線如圖7所示；隨著管道中水的大量倒流，管道中雖有負壓產(chǎn)生，但并未發(fā)生水柱分離，說明原有空氣閥布閥方案可以有效地消除系統(tǒng)沿線負壓情況，是可行的。

圖7 未采取任何措施工況下系統(tǒng)測壓管水頭包絡線Fig.7 System piezometric head envelope without any measures

2.4 事故停泵閥門關閉工況計算

水泵出口設置的液控緩閉止回閥可以使水泵有效避免因倒轉過快而遭到破壞，在消除因斷電產(chǎn)生的水錘危害的同時，又不致使大量水倒泄對機組產(chǎn)生破壞；本節(jié)分別對不同緩閉閥關閥方案進行了模擬計算，對比不同的關閉程序對泵站管路系統(tǒng)的瞬變特性的影響，具體進行試算的方案如表2及圖8所示。

分別采用上述關閥方案進行事故停泵計算，得出不同關閥方案水泵出口、緩閉閥后及整個管道系統(tǒng)的壓力極值情況如表3所示：對比方案一～方案四的計算結果，可以看出當閥門快關時間、角度一樣，總的關閥時間90～180 s的系統(tǒng)最大壓力變化不是很大，最小壓力極值有明顯降低；對比方案五～方案七計算結果，可以看出同樣關閥時間，快關角度不同，系統(tǒng)壓力極值結果也略有不同，計算表明快關階段相對角度應該控制在70%～80%；對比方案四、方案八的計算結果，可以看出同樣關閥時間線性慢關并沒有兩階段關閥效果好；對比方案八、方案九和方案十的計算結果，可以看出若采用線性關閥方案，總的關閥時間要延長至360 s系統(tǒng)最大壓力效果比較理想，相比兩階段關閥方案時間長很多；綜合比較方案一～方案十的計算結果，可以看出方案一～方案六和方案十的結果均在安全范圍內(nèi)，若采用兩階段關閥方案，方案四的結果相對更理想一些，即液控緩閉止回閥二階段關閥方案為15 s快關80%，165 s慢關20%，若采用線性關閥方案，方案十的結果更理想一些，即緩閉閥360 s內(nèi)線性全關，至于最優(yōu)的關閥方案還需進行多次試算給出。

表2 不同緩閉閥關閉方案Tab.2 Different slow closing valve closure solution

圖8 不同緩閉閥關閉方案相對關閉度示意圖Fig.8 Schematic diagram of the relative closure degree of different slow closing valve closure solution

圖9為采取方案四時水泵相對流量與相對轉速變化曲線，圖10為采取不同方案時閥后壓力變化曲線，圖11為采取方案四時管道系統(tǒng)壓力水頭包絡線圖，圖12為采取方案四時管道系統(tǒng)最大、最小壓力包絡線圖。

表3 不同緩閉閥關閉方案計算結果Tab.3 Calculation results of different slow closing valve closure solution

注：P為計算管道編號，J、%為計算節(jié)點編號。

圖9 采取方案四時水泵相對流量與相對轉速變化曲線Fig.9 Change curves of relative flow rate and relative speed of water pump by the fourth scheme

圖10 采取不同方案時閥后壓力變化曲線Fig.10 Pressure change curve of valve by different schemes

圖11 采取方案四時管道系統(tǒng)壓力水頭包絡線Fig.11 Pressure head envelope of piping system by the fourth scheme

圖12 采取方案四時管道系統(tǒng)最大、最小壓力包絡線Fig.12 Maximum and minimum pressure envelope of piping system by the fourth scheme

3 結 語

在長距離輸配水系統(tǒng)中，長距離輸水管線具有管線長、流量大、揚程高、多起伏等特點，停泵水力過渡過程比較復，水錘防護最主要的是消除多處斷流彌合水錘。因此，必須高度重視事故停泵所引起的斷流彌合水錘的分析與防護，并通過詳細的數(shù)值計算，找到技術可靠、經(jīng)濟合理、管理方便的停泵水錘防護措施。本文通過對選取的輸水工程管線及泵站的水錘發(fā)生過程進行模擬和分析，對系統(tǒng)原有的液控緩閉止回閥+空氣閥組合水錘防護方的合理性案進行了驗證，最終得出如下結論：①原有的空氣閥布閥方案可以很好地控制管道系統(tǒng)負壓。②水泵出口處安裝液控緩閉止回閥有效地控制了水泵的反轉及倒流從而保護水泵。③通過模擬計算建議：若采用兩階段關閥方案，關閥方案為15 s快關80%，165 s慢關20%(關閥歷時180 s)，若采用線性關閥方案，關閥方案為360 s內(nèi)線性全關，由于實際操作中存在各種誤差，最優(yōu)的關閥程序還需經(jīng)過多次試算給出。

□

[1] 蘭景玲．長距離多起伏輸水管道水錘防護研究[D]．西安:長安大學,2009．

[2] 劉竹溪，劉光臨．泵站水錘及其防護[M]．北京:水利電力出版社,1988．

[3] 王福軍，白綿綿，肖若富．Flow master在泵站過渡過程分析中的應用[J]．排灌機械工程學報，2010，(2):144-148．

[4] 毛遠輝．基于Surge2010的某泵站揚水工程水錘計算及防護分析[J]．水利科技與經(jīng)濟，2014，(1):151-152．

[5] 王 琰，康 雅，李政帥等．基于Bentley Hammer V8i的長距離輸水管道停泵水錘模擬分析[J]．給水排水，2013，(4):114-117．

[6] Wylie E B,Streeter V L．Fluid Transient[M]．New York: McGrw-Hill International Book Company,1978.

[7] Chaudhry M H.Applied Hydraulic Transients[M]. New York:Van Nostrand Reinhold Company,1987.

[8] 金 錐，姜乃昌，汪興華．停泵水錘及其防護[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993．

[9] 謝水波，邱長軍，張浩江,等．取水泵站停泵水錘電算技術研究[J]．給水排水，2000，(6):69-72．

[10] 楊遠東，鄧志光．停泵水錘計算及其防護措施[J]．中國給水排水，2000，(5):29-32.

[11] 楊曉東，朱滿林，李郁俠．裝有進排氣閥的長距離壓力輸水系統(tǒng)水錘計算研究[J]．水利學報，1998，(S1):61-65．

[12] 梁建軍，何 強，褚同偉，等．基于PIPE2008:Surge的超高揚程取水工程停泵水錘模擬分析[J]．給水排水，2010，(6):117-121．

[13] 楊玉思，徐艷艷，羨巨智．長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究[J]．給水排水，2009，(4):108-111．

[14] 馮 婷，賈亞軍，謝仁杰．梯級泵站串聯(lián)加壓長距離輸水的水錘特點及防護措施[J]．中國給水排水，2008，14:51-54．

[15] 王川江．新疆準東五彩灣供水工程停泵水錘計算[J]．中國給水排水，2014，(11):55-57，61．

[16] 熊水應,關興旺,金 錐．多處水柱分離與斷流彌合水錘綜合防護問題及設計實例(上)[J]．給水排水，2003，29(7)：1-5．

[17] 鄭 源,屈 波,張 健,等.有壓輸水管道系統(tǒng)含氣水錘防護研究[J]．水動力學研究與進展，2005，20(4):436-441．

[18] 侯建國，郭亞潔，閻慶級．有氣閥的長距離輸水管道流動特性分析與應用[J]．水利學報，2009，40(1)：86-91．

[19] 楊開林,吳換營.南水北調(diào)中線天津段泵站輸水方案水擊等效管計算方法[J].南水北調(diào)與水利科技,2005,3(3): 4-7.