基于供水工程中重力流的水錘聯(lián)合防護(hù)措施研究

趙曉磊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

跨流域、跨地區(qū)的輸水工程為解決日益尖銳的供水需求矛盾的必然發(fā)展趨勢，重力流輸水管道在管路系統(tǒng)中具有運(yùn)行維護(hù)方便、水量損失少等優(yōu)點(diǎn)。然而，管線受其他建筑物和地形條件限制，通常存在較大的變化起伏，輸水工程中最突出、最常見的問題為如何實(shí)現(xiàn)輸水管線的安全防護(hù)。管道末端閥門關(guān)閉過快很容易引起水力瞬變現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)壓力的劇烈降低和升高極易造成閥門破壞、管道接頭斷開，甚至引起管道壓癟或爆裂等問題[1〗。國內(nèi)外專家關(guān)于水錘防護(hù)和長距離有壓管道輸水問題開展了大量研究，如Streeter等針對整個(gè)供水系統(tǒng)受水錘的影響提出分段關(guān)閥規(guī)律控制法，在許多工程實(shí)踐中這種關(guān)閥規(guī)律得到普遍的應(yīng)用；Elliot等結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和瞬態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)韋納奇地區(qū)的城市供水系統(tǒng)提出了能夠較好的防止水錘的空氣閥；楊玉思等[2〗在長距離管道輸水工程中研究了超壓泄壓閥的水錘防護(hù)作用；高將等[3〗研究分析了調(diào)壓塔和超壓泄壓閥水錘防護(hù)措施的邊界條件、技術(shù)要點(diǎn)、工作原理及其結(jié)構(gòu)特征，通過對比兩者的區(qū)別提出有效防止管道壓力過大的措施為超壓泄壓閥，能夠同時(shí)消除管路負(fù)壓和降低壓力管路正壓的措施為調(diào)壓塔。

當(dāng)前，考慮水錘聯(lián)合防護(hù)措施的重力流供水工程的研究不多，文章結(jié)合現(xiàn)有研究資料和理論成果，以北方某供水工程為例，對重力流部分的聯(lián)合超壓泄壓閥、兩階段關(guān)閥和線性關(guān)閥多種防護(hù)措施，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬研究，以期為重力流水錘聯(lián)合防護(hù)提供一定參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水錘計(jì)算模型

特征線法為計(jì)算管道系統(tǒng)水錘的常用方法，主要包括連續(xù)和運(yùn)動方程[4]，表達(dá)式分別為：

(1)

(2)

式中：x、H、D分別為位置坐標(biāo)、壓力水頭和管徑，m；v、a分別為流速和水錘波速，m/s；f、t分別為摩阻系數(shù)和水錘發(fā)生時(shí)間；α為水平面與管路之間的夾角，°。

1.2 邊界條件

1) 出口閥門邊界條件。在流量穩(wěn)定的條件下，采用下式計(jì)算出口閥門徑流的水頭損失[5]，即：

ΔH閥=CvQ2v|v|

(3)

式中：Cv、ξ為閥門的阻力特性系數(shù)和流阻系數(shù)；AV、Q為閥門開度面積及其流量，m2、m3/s。

2) 超壓泄壓閥邊界條件。為防止管道正壓力過大通常采用一種超壓泄壓閥保護(hù)裝置，當(dāng)水錘事故引起供水系統(tǒng)壓力急劇升高時(shí)，為防止發(fā)生爆管事故閥門會自動開啟。超壓泄壓閥邊界條件根據(jù)連續(xù)性原理可設(shè)定為如下形式[6]，即：

Hp1=Hp2=Hp3

(4)

Qp1+Qp2+Qp3=0

(5)

(6)

式中：H0、HP1、HP2、HP3分別為超壓泄壓閥管外、上、下游及閥處壓力，m；Qp1、Qp2、Qp3分別為超壓泄壓閥上、下游及閥處流量，m3/s；AG、Cd分別為泄流面積和流量系數(shù)，m2。

2 實(shí)例應(yīng)用

重力流輸水和泵站提水為某供水工程的主要構(gòu)成，文章對重力流部分的多種防護(hù)措施運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬研究。在運(yùn)行工況設(shè)計(jì)過程中，球磨鑄鐵輸水管線長13520m，管徑0.8m、設(shè)計(jì)流量0.58m3/s，上、下游水位為790.25、742.10m，調(diào)流閥設(shè)置在管道末端。管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及縱斷壓力圖，見圖1。由于大部分輸水管道內(nèi)壓>80m且工程地形存在較大起伏變化，加之輸水管線較長使得管件連接、管道接頭等易發(fā)生故障，為防止管道急劇升壓并保障管線的安全運(yùn)行，有必要開展關(guān)閥水錘的防護(hù)措施研究。

圖1 管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及縱斷壓力圖

2.1 調(diào)流閥優(yōu)化

若關(guān)閥時(shí)間較短，則較長有壓輸水管線會直接產(chǎn)生水錘，由此對管線安全造成危害。一般情況下，關(guān)閥規(guī)律分為線性與兩階段關(guān)閥，其中兩階段關(guān)閥是先將較大角度在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，然后對剩余角度緩慢關(guān)閉，從而達(dá)到水錘壓力降低的目的[7]。優(yōu)化兩階段和線性關(guān)閥為文章的研究重點(diǎn)，輸水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)選用淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)流閥。淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)特性，見表1。

表1 淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)特性

1) 線性關(guān)閥。為確定管道壓力是否符合規(guī)范要求并揭示水錘壓力受線性關(guān)閥時(shí)間變化的影響規(guī)律，文章以完全關(guān)閥時(shí)間1600、1300、1000s為例，探討最小、最大水錘壓力的變化特征。壓力水頭過程線在不同關(guān)閥時(shí)間下的變化特征，見圖2；水錘最小、最大壓力值，見表2。

圖2 壓力水頭過程線在不同關(guān)閥時(shí)間下的變化特征

線性關(guān)閥最小壓力/m最大壓力/m1000s195.26-9.96關(guān)閥時(shí)間1300s180.05-9.961600s162.81-9.96

綜上分析，隨著關(guān)閥時(shí)間的增加一階段關(guān)閥最大壓力明顯減少，完全真空壓力仍為最小壓力，負(fù)壓長度減少且包絡(luò)線總體上移。各種問題隨關(guān)閥時(shí)間的增加逐漸顯現(xiàn)，如工程造價(jià)增大以及閥門遇緊急事故的響應(yīng)時(shí)間延長等，根據(jù)廠家給定的相關(guān)資料合理設(shè)定關(guān)閥延長時(shí)間，選定1600s關(guān)閥時(shí)間作為調(diào)流閥優(yōu)化方案[8-10]。

2) 兩階段關(guān)閥。為降低重力流輸水管道正壓和有效消除負(fù)壓的效應(yīng)，“兩階段關(guān)閉”管道末端閥門為較常用的方法[11]。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在給定關(guān)閉時(shí)間的情況下，將第一階段關(guān)閉角度增大至合理范圍，可有效降低長距離輸水系統(tǒng)的最大正負(fù)壓。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，最優(yōu)關(guān)閥方案為1580s慢關(guān)20°、20s快關(guān)70°，觀察壓力水頭線在最優(yōu)關(guān)閉角度下的走勢。最優(yōu)關(guān)閥方案的壓力水頭線，見圖3。

圖3 最優(yōu)關(guān)閥方案的壓力水頭線

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和輸水管設(shè)計(jì)規(guī)范，城市供水管道最大水錘壓力在水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)中應(yīng)<管道強(qiáng)度，且≤穩(wěn)態(tài)壓力的1.3-1.5倍，還要對彌合水錘形成條件進(jìn)行分析。從圖3可以看出，最小壓力>0滿足規(guī)范要求，可避免彌合水錘的形成；雖然最大壓力呈現(xiàn)出下降趨勢，但閥前和穩(wěn)態(tài)壓力比為3.06，超高1.3-1.5倍的要求，因此不符合規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行正壓防護(hù)[12]。

2.2 超壓泄壓閥與兩階段管閥的聯(lián)合防護(hù)

1)一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)。將超壓泄壓閥引入至兩階段關(guān)閥優(yōu)化方案中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置選用：以管徑的1/4-1/5設(shè)定公稱直徑，在升壓管段處安裝超壓泄壓閥。所以，將口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設(shè)置在46斷面處，一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)的壓力水頭線，見圖4。

圖4 一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的

從圖4可以看出，通過設(shè)置超壓泄壓閥可降低最大正壓力，該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求，而閥前與最大內(nèi)水壓之比為2.75，仍不滿足1.3-1.5倍的要求，所以仍需采取防護(hù)措施。

2)兩臺超壓泄壓閥和兩階段關(guān)閉的聯(lián)合防護(hù)[13]。根據(jù)上述結(jié)論和成果，將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設(shè)置在58斷面處，兩臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)的壓力水頭線，見圖5。

圖5 兩臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的

從圖5可以看出，通過設(shè)置兩臺超壓泄壓閥可降低最大正壓力，該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求，而閥前與最大內(nèi)水壓之比為1.26，滿足1.3-1.5倍的要求?？梢?，兩臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥防護(hù)措施能夠保證長距離輸水管道的安全運(yùn)行，可明顯降低供水管線的升壓水錘。

3 結(jié) 論

關(guān)閥引起的關(guān)閥水錘、角度、時(shí)間與長距離重力流輸水管道之間存在關(guān)聯(lián)作用，通過對關(guān)閥規(guī)律的合理優(yōu)化能夠較好的降低管道正壓、消除復(fù)雜。針對關(guān)閥規(guī)律優(yōu)化調(diào)整仍不能達(dá)到技術(shù)規(guī)程要求的情況下，可通過合理設(shè)置超壓泄壓閥保證供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，使其正壓符合規(guī)程要求。

在該長距離供水系統(tǒng)中，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果選定末端兩階段關(guān)閥方式，最優(yōu)關(guān)閥方案為：1580s慢關(guān)20°、20s快關(guān)70°，口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設(shè)置在46斷面處，將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設(shè)置在58斷面處。該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求，而閥前與最大內(nèi)水壓之比為1.26，滿足1.3-1.5倍的要求，研究成果可為保證上距離輸水管道的安全運(yùn)行和降低管道升壓水錘提供一定決策依據(jù)。