長(zhǎng)距離引水工程中的水錘分析設(shè)計(jì)

陳靖韜,譚建國(guó)

(中國(guó)聯(lián)合工程公司,浙江 杭州 310052)

水錘是影響長(zhǎng)距離壓力輸水工程安全運(yùn)行的一個(gè)極為重要的因素。在長(zhǎng)距離輸水管道中,流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的,管道中流速變化時(shí),致使管道中水的壓力的升高或降低,在壓力低于水的汽化壓力時(shí),水柱就被拉斷,出現(xiàn)斷流空腔,在空腔處的水流彌合時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊,管道中的水升壓,形成水錘。水錘是造成輸水系統(tǒng)破壞的主要原因,不少工程因水錘而引起爆管,產(chǎn)生了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本次以江山市峽口水庫(kù)引水工程為例,介紹長(zhǎng)距離引水管道在防水錘方面的設(shè)計(jì)。

江山市峽口水庫(kù)引水工程為江山市峽口水庫(kù)至江山市第二水廠的原水引水工程。設(shè)計(jì)近期引水規(guī)模為10萬(wàn)噸/日,遠(yuǎn)期引水規(guī)模為20萬(wàn)噸/日。引水采用重力引水模式有壓輸水形式,引水管管徑DN1200～DN1600。引水管自峽口水庫(kù)壩下開(kāi)始,沿途經(jīng)過(guò)規(guī)劃江山市第三水廠、峽口鎮(zhèn)、鳳林鎮(zhèn)、蓮華山工業(yè)區(qū)、山海協(xié)作區(qū),至江山市第二水廠設(shè)計(jì)引水管道全長(zhǎng)約33.2km。沿線地勢(shì)起伏較大,管道布置形式有明挖鋪設(shè)、管橋架空、頂管、水工隧洞、穿渠圍堰等。引水管道兩端最大高差約140m,易發(fā)生水錘現(xiàn)象。

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)分析,本工程為水庫(kù)重力流引水,未采用水泵等人工提升措施,引水距離較長(zhǎng),且多次反復(fù)穿過(guò)山體、農(nóng)田,地形較為復(fù)雜,因此可能出現(xiàn)的水錘主要為關(guān)閥水錘、彌合水錘和充水水錘等。以下分別針對(duì)不同類型的水錘進(jìn)行防水錘設(shè)計(jì)：

1 防關(guān)閥水錘設(shè)計(jì)

在長(zhǎng)距離管道的輸水系統(tǒng)中,管線上的檢修閥、減壓閥的關(guān)閥都會(huì)造成關(guān)閥水錘。壓力管道中的水流由于閥門(mén)關(guān)閉,水的動(dòng)能造成閥前壓力急劇上升,并在管線中傳播,尋求薄弱點(diǎn)破壞管道[1]。

一般來(lái)說(shuō)關(guān)閥水錘產(chǎn)生的水錘波從關(guān)閥位置向系統(tǒng)末端來(lái)回反復(fù)傳輸若干個(gè)周期造成破壞,為防止關(guān)閥水錘的產(chǎn)生和破壞,則要控制水流的動(dòng)能。因此可采用控制閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的方式來(lái)控制水流速度,從而達(dá)到控制水流動(dòng)能的效果。

根據(jù)計(jì)算,在10～15個(gè)水錘周期內(nèi)阻止水的流動(dòng),可以大幅降低水錘發(fā)生的強(qiáng)度。因此針對(duì)本工程各閥門(mén)所處系統(tǒng)的位置,計(jì)算確定控制閥門(mén)緩慢關(guān)閉的時(shí)間,并在閥門(mén)前安裝水錘泄放閥,可有效防止水錘破壞。水錘周期的計(jì)算如下：

T=2*L/a

式中：T—水錘周期。從水錘發(fā)生開(kāi)始位置傳輸?shù)较到y(tǒng)末端并返還到起始位置的時(shí)間,s；L—水錘發(fā)生點(diǎn)所在封閉管段的長(zhǎng)度,m；a—水錘波在管道中的傳播速度。

1.1 近期輸水工況下未設(shè)置防護(hù)措施的沿程管道壓力包絡(luò)線

本次關(guān)閥水錘設(shè)計(jì)中,采用KYPipe2012水錘分析軟件模擬分析出整條管道系統(tǒng)在多種工況時(shí)的管道壓力包絡(luò)線及管道末端的壓力波動(dòng)情況。

本次設(shè)計(jì)分別模擬末端閥門(mén)關(guān)閥180s～210s的工況。圖中藍(lán)線代表管道,紅線為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)管道沿程測(cè)壓管水頭線(HGL),灰線顯示模擬關(guān)閥水錘工況沿程管道每個(gè)點(diǎn)的最大及最小壓力,即壓力包絡(luò)線。詳細(xì)如下：①末端閥門(mén)180s關(guān)閉工況。從圖1.1中可知,在末端閥門(mén)180s關(guān)閉的工況下,管線的正向水錘作用非常明顯,整條管線的承壓級(jí)別都要遠(yuǎn)高于2.0MPa,如果按照管材的1.6MPa的壓力等級(jí)來(lái)考慮的話,在管道的薄弱處發(fā)生爆管的可能非常大；②末端閥門(mén)210s關(guān)閉工況。從圖1.2中可知,在末端閥門(mén)210s關(guān)閉的工況下,整條管道絕大部分的正向壓力均處于壓力包絡(luò)線內(nèi),除尾部處于超壓狀態(tài)(即綠色管道承受最高壓線在壓力包絡(luò)線內(nèi))外。蝶閥的關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)后可以明顯減少水錘的發(fā)生,除此,建議適當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增加防護(hù)措施來(lái)減小水錘破壞的可能性。

圖1.1 末端閥門(mén)近期180s關(guān)閉工況(未設(shè)置防護(hù)措施)

圖1.2 末端閥門(mén)近期210s關(guān)閉工況(未設(shè)置防護(hù)措施)

1.2 近期輸水工況下已設(shè)置防護(hù)措施的沿程管道壓力包絡(luò)線

根據(jù)以上模擬分析,在整個(gè)管道系統(tǒng)上設(shè)置水錘防護(hù)措施如下：在末端蝶閥的上游處設(shè)置快速泄壓閥并列安裝,當(dāng)壓力超過(guò)1.5MPa時(shí),閥門(mén)開(kāi)啟釋放壓力。

根據(jù)管線敷設(shè)沿線地勢(shì)設(shè)置了一定數(shù)量的空氣閥,再進(jìn)行模擬計(jì)算：①近期工況末端閥門(mén)240s關(guān)閉工況。如圖1.3可見(jiàn),水錘防護(hù)措施發(fā)揮作用后,顯著地減弱了水錘效應(yīng),管道末端的壓力波動(dòng)控制在0.02-0.5MPa內(nèi),使得管道的內(nèi)的最高壓力明顯減?。虎谶h(yuǎn)期工況末端閥門(mén)240s關(guān)閉工況。同樣防護(hù)措施應(yīng)用于遠(yuǎn)期流量設(shè)定為8750m3/h,如圖1.4可見(jiàn)水錘防護(hù)措施發(fā)揮作用后,顯著地減弱了水錘效應(yīng),管道末端的壓力波動(dòng)控制在0.02-1.2MPa內(nèi),在管道承壓等級(jí)范圍內(nèi)。

圖1.3 末端閥門(mén)近期240s關(guān)閉工況(設(shè)置水錘防護(hù)措施)

圖1.4 末端閥門(mén)遠(yuǎn)期240s關(guān)閉工況(設(shè)置水錘防護(hù)措施)

綜上所述,增加了水錘防護(hù)措施,并將關(guān)閥時(shí)間控制在240s以上時(shí),整條管道無(wú)論在近期或遠(yuǎn)期流量發(fā)生關(guān)閥水錘時(shí),管道全段壓力波動(dòng)值均在管道承壓等級(jí)范圍內(nèi),可以保證管道的安全運(yùn)行。

2 防彌合水錘設(shè)計(jì)

所謂彌合水錘,即由于管道中水柱分離形成負(fù)壓,負(fù)壓會(huì)將分離水柱重新拉回撞擊,造成管道壓力上升的現(xiàn)象。通常在管線的最高點(diǎn)和拐點(diǎn)最容易出現(xiàn)彌合水錘[2]。

解決彌合水錘的唯一途徑是防止負(fù)壓形成。可以通過(guò)對(duì)負(fù)壓區(qū)補(bǔ)水或補(bǔ)氣的方式來(lái)防止負(fù)壓形成。對(duì)于本工程,峽口水庫(kù)至G205省道段為山體、田地反復(fù)出現(xiàn),如果采用補(bǔ)水的方式消除彌合水錘,則需要在各山坡高點(diǎn)處設(shè)置空氣壓力罐,雖然防止效果較好,但即有造價(jià)較大的問(wèn)題,也容易丟失、損壞,不利于維護(hù)管理。因此本工程主要考慮采用補(bǔ)氣的方式消除彌合水錘對(duì)管道的破壞。

因普通的排氣閥在彌合水錘發(fā)生時(shí)的補(bǔ)氣速度沒(méi)有負(fù)壓形成的速度快,負(fù)壓已經(jīng)造成分離的水柱彌合,消除水錘效果不好。本工程設(shè)計(jì)時(shí)采用高速?gòu)?fù)合式雙口排氣閥來(lái)解決彌合水錘的問(wèn)題。高速?gòu)?fù)合式雙口排氣閥是一個(gè)可快吸慢排的閥門(mén)在分離水柱彌合時(shí),閥門(mén)不會(huì)大量排氣,讓空氣停留在回流水柱之間,對(duì)回流水柱起到緩沖作用,防止回流水柱彌合,因而消除彌合水錘。

本工程在管線穿越較高山體的高點(diǎn)均設(shè)置高速?gòu)?fù)合式雙口排氣閥組。

3 防充水水錘設(shè)計(jì)

充水水錘是指在長(zhǎng)距離輸水管線中,由于管道上一次通水運(yùn)行后,會(huì)在地勢(shì)較低的輸水管線中沉積大量水,在下一次通水時(shí),輸水管線中快速流動(dòng)的水,會(huì)對(duì)地勢(shì)較低的沉積水,產(chǎn)生巨大的沖擊力,從而對(duì)管道造成破壞。解決充水水錘的辦法就是控制充水速度,對(duì)于本工程重力流輸水系統(tǒng),本次設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)用檢修閥分成多段,在檢修閥旁并列設(shè)置旁通充水管道,充水管道的口徑宜為主管徑的1/4。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的模擬計(jì)算及分析研究,可以看出本工程中主要可能發(fā)生的水錘為關(guān)閥水錘、彌合水錘、充水水錘。通過(guò)控制末端閥門(mén)的關(guān)閥時(shí)間保證在240s以上,可有效保護(hù)管道及附件不受關(guān)閥水錘影響；彌合水錘需設(shè)置復(fù)合式排氣閥解決,保證管道各種工況下可高速進(jìn)出氣；防充水水錘主要依靠旁通充水管及人為控制充水量和流速控制解決。此三類水錘控制后,可有效緩解長(zhǎng)距離(重力式)引水工程的水錘現(xiàn)象。

[1]朱滿林,沈冰,張言禾,王濤.長(zhǎng)距離壓力輸水工程水錘防護(hù)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(1)：40-43.

[2]鐘瑞.長(zhǎng)距離輸水工程有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的探討[J].江西建材,2015(18)：134-134．