長距離重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施研究

郭偉奇，吳建華，李 娜，褚志超，張景望

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

為解決供水需求日益尖銳的矛盾，運(yùn)用管路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨流域的輸水工程解決是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)[1]。重力流輸水管道具有水量損失少，運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但受地形和其他建筑物的限制，往往會(huì)使管線起伏變化大，其輸水管線的安全防護(hù)問題是輸水工程中是最常見而又最突出的問題[2]。當(dāng)末端閥門關(guān)閉過快，管道系統(tǒng)內(nèi)很容易發(fā)生壓力劇烈升高和降低的水力瞬變現(xiàn)象，可能造成管道接頭斷開，破壞閥門，嚴(yán)重的造成管道爆裂或壓癟等危害。針對(duì)長距離有壓管道輸水及其水錘防護(hù)等問題國內(nèi)外專家已有大量研究成果。Elliot等[3]結(jié)合韋納奇地區(qū)的城市供水系統(tǒng)根據(jù)瞬態(tài)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，設(shè)計(jì)出了新的能夠更好的防止水錘的空氣閥；Streeter[4]提出了采用分段關(guān)閥規(guī)律來控制水錘對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，這種關(guān)閥規(guī)律現(xiàn)在已經(jīng)在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用；楊玉思，徐艷艷，羨巨智[5]對(duì)超壓泄壓閥在長距離管道輸水工程中的水錘防護(hù)作用進(jìn)行了研究；高將等[6]對(duì)超壓泄壓閥和調(diào)壓塔兩種水錘防護(hù)措施的結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)要點(diǎn)、邊界條件以及兩者的區(qū)別進(jìn)行了分析研究，研究表明，超壓泄壓閥是防止管道壓力過大的有效措施，調(diào)壓塔既能降低壓力管路正壓又能消除管路負(fù)壓。

目前，在供水工程中重力流的水錘聯(lián)合防護(hù)措施研究較少。本文基于已有成果基礎(chǔ)上，以北方某供水工程重力流部分為例，進(jìn)行水錘防護(hù)措施研究，以期其結(jié)果為工程的安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水錘計(jì)算模型

管道系統(tǒng)水錘通常采用特征線法進(jìn)行計(jì)算。水錘基本方程包括運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程[7]，如下：

(1)

(2)

式中：H為壓力水頭，m；x為位置坐標(biāo)，m；v為流速，m/s；t為水錘發(fā)生時(shí)間，s；f為摩阻系數(shù)；D為管徑，m；α為管路與水平面夾角，°；a為水錘波速，m/s。

1.2 出口閥門邊界條件

穩(wěn)定流量情況下，通過出口閥門水頭損失計(jì)算如下[8]：

ΔH閥=CVQ2v|v|

(3)

1.3 超壓泄壓閥邊界條件

超壓泄壓閥是一種防止管道正壓過大的保護(hù)裝置。當(dāng)供水系統(tǒng)由于水錘事故導(dǎo)致壓力升高到超過設(shè)定的允許值時(shí)，閥門自動(dòng)開啟，以防止爆管事故發(fā)生。由連續(xù)性原理建立超壓泄壓閥的邊界條件[9]：

Hp1=Hp2=Hp3

(4)

Qp1+Qp2+Qp3=0

(5)

(6)

式中：Qp1、Qp2、Qp3分別為超壓泄壓閥上、下游及閥處的流量，m3/s；Hp1、Hp2、Hp3、H0分別為超壓泄壓閥上、下游、閥處及管外的壓力，m；Cd為流量系數(shù)；AG為泄流面積，m2。

2 案例分析

北方某供水工程由泵站提水和重力流輸水兩部分組成。本文以重力流部分為例進(jìn)行分析。工程在設(shè)計(jì)運(yùn)行工況時(shí)，上游水位為795.85 m，下游水位為744.6 m。輸水管線為13 680 m的球墨鑄鐵管，設(shè)計(jì)流量0.57 m3/s，管徑800 mm，管道末端設(shè)有調(diào)流閥，管道縱斷圖及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況如圖1所示。由于工程地形起伏較大，輸水管線較長，且大部分輸水管道內(nèi)壓超過80 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，管道接頭，管件連接處等容易出現(xiàn)故障，為保障輸水管線安全運(yùn)行，應(yīng)對(duì)該工程關(guān)閥水錘進(jìn)行防護(hù)研究，以防止管道急劇升壓造成嚴(yán)重后果。

圖1 管道縱斷及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力圖Fig.1 Pipeline longitudinal section and steady state operating pressure diagram

2.1 調(diào)流閥優(yōu)化

由于工程有壓輸水管線較長，若關(guān)閥時(shí)間過短會(huì)引發(fā)直接水錘，危害管線安全。關(guān)閥規(guī)律一般可分為：線性關(guān)閥、兩階段關(guān)閥。兩階段關(guān)閥是先較短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉較大角度，然后緩慢關(guān)閉剩余角度，已達(dá)到降低水錘壓力的效果。本研究針對(duì)線性關(guān)閥和兩階段關(guān)閥角度進(jìn)行優(yōu)化。擬選用適應(yīng)水錘控制多噴孔淹沒套筒式調(diào)流閥[10]進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥門全開時(shí)y=1，其特性如表1所示。

表1 水錘控制多噴孔淹沒套筒式調(diào)流閥特性表Tab.1 Water hammer control multi-hole submerged sleeve type flow regulating valve characteristic table

2.1.1 線性關(guān)閥

為探究線性關(guān)閥時(shí)間長短對(duì)水錘壓力的影響，以及計(jì)算管道壓力是否滿足規(guī)范要求。本研究以900、1 200、1 500 s完全關(guān)閥為例對(duì)水錘最大、最小壓力的影響進(jìn)行分析。關(guān)鍵參數(shù)如表2所示，壓力水頭線如圖2所示。

表2 各關(guān)閥方案最大、最小壓力表Tab.2 Maximum and minimum pressure gauges for each valve closure

圖2 不同關(guān)閥時(shí)間壓力水頭過程線Fig.2 Pressure head envelope at different valve closing times

綜上可知，一階段關(guān)閥隨著關(guān)閥時(shí)間的延長，最大壓力降低明顯，最小壓力仍為完全真空壓力，但最小壓力包絡(luò)線整體上移，負(fù)壓長度減少。綜合考慮到隨著關(guān)閥時(shí)間延長所帶來的問題，比如，遇到緊急事故閥門不能快速響應(yīng)，工程造價(jià)提高等，關(guān)閥時(shí)間是不能無限制延長，結(jié)合廠家給定資料，選定1 500 s關(guān)閥方案。

2.1.2 兩階段關(guān)閥

長距離重力流輸水管道末端閥門一般采用“兩階段關(guān)閉”，以達(dá)到有效消除負(fù)壓和降低正壓的效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：在關(guān)閉時(shí)間一定時(shí)，在合理范圍內(nèi)增大第一階段關(guān)閉角度可以有效減小管路最大正負(fù)壓。通過大量數(shù)值模擬，10 s快關(guān)70°，1 490 s慢關(guān)20°為最優(yōu)關(guān)閥方案，壓力水頭線如圖3所示。

圖3 最優(yōu)關(guān)閉角度壓力水頭過程線Fig.3 Pressure head envelope at optimal valve closing angle

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》[11]，水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過穩(wěn)態(tài)壓力的1.3～1.5倍，且小于管道的強(qiáng)度；以及分析是否產(chǎn)生彌合水錘。由圖3可知，最小壓力大于零，不會(huì)產(chǎn)生彌合水錘，滿足規(guī)范要求；最大壓力也有所下降，但仍不滿足規(guī)范要求(閥前壓力為67.1 m，穩(wěn)態(tài)壓力為21.87 m，其比值為3.07，大于1.3～1.5倍穩(wěn)態(tài)壓力)，因此需要進(jìn)行正壓防護(hù)。

2.2 兩階段關(guān)閥與超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)

2.2.1 兩階段關(guān)閥與一臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)

在上述優(yōu)化兩階段關(guān)閥的基礎(chǔ)上增設(shè)超壓泄壓閥，其選型設(shè)置按經(jīng)驗(yàn)[11]：安裝在升壓管段處，公稱直徑按管徑的1/5～1/4 選定。因此，在45斷面設(shè)置一臺(tái)完全開啟壓力為84 m，口徑200 mm的超壓泄壓閥，壓力水頭線如圖4所示。

圖4 兩階段關(guān)閥與一臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)壓力水頭過程線Fig.4 Two-stage shut-off valve and an overpressure relief valve jointly protect the pressure envelope

由圖4可知，設(shè)置一臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)最小壓力大于零，滿足規(guī)范要求，最大正壓有所下降，閥前壓力為61.12 m，最大內(nèi)水壓力為21.87 m，其比值為2.79，大于1.3倍最大內(nèi)水壓力，不滿足規(guī)范要求，因此還需要繼續(xù)進(jìn)行正壓防護(hù)。

2.2.2 兩階段關(guān)閉與兩臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)

基于以上研究，在59斷面另設(shè)置一臺(tái)完全開啟壓力為40 m，口徑為200 mm的超壓泄壓閥，壓力水頭線如圖5所示。

圖5 兩階段關(guān)閥與兩臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)壓力水頭過程線Fig.5 Two-stage shut-off valve and two overpressure relief valves jointly protect the pressure envelope

由圖5可知，設(shè)置一臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)最小壓力大于零，滿足規(guī)范要求，閥前壓力為27.97 m，最大內(nèi)水壓力為21.87 m，其比值為1.28，小于1.3倍最大內(nèi)水壓力，滿足規(guī)范要求，兩階段關(guān)閥與兩臺(tái)超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)措施可以有效地降低管路內(nèi)的升壓水錘，能保證供水工程的安全運(yùn)行。

3 結(jié) 語

長距離重力流輸水管道由關(guān)閥所引起的關(guān)閥水錘與關(guān)閥時(shí)間、角度有密切關(guān)系，合理優(yōu)化關(guān)閥規(guī)律可以很好的消除負(fù)壓、降低正壓，在通過優(yōu)化關(guān)閥規(guī)律始終無法使最大正壓滿足規(guī)范要求使，可采用與超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)，合理設(shè)置超壓泄壓閥型號(hào)，可使正壓滿足規(guī)范要求，保證工程安全運(yùn)行。

在該供水工程中，可采用末端兩階段關(guān)閥，其中關(guān)閥規(guī)律為10 s快關(guān)75°，1 490 s慢關(guān)15°，并在45斷面設(shè)置一臺(tái)完全開啟壓力為84 m，在59斷面另設(shè)置一臺(tái)完全開啟壓力為40 m，口徑均為200 mm的超壓泄壓閥，可消除負(fù)壓，且最大閥前壓力為最大內(nèi)水壓力1.28倍，滿足規(guī)范要求，其研究成果以期為工程安全運(yùn)行提供理論支撐。

□