長距離供水工程水錘防護(hù)效果研究

郭亞麗

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027）

長距離供水工程的水源通常在數(shù)10 km 以外，甚至更遠(yuǎn)。由于地形和其他建筑物的限制，管線縱斷布置波動經(jīng)常變化很大。長距離供水管道的安全運(yùn)行是一個(gè)普遍而重要的問題[1]。在泵站系統(tǒng)中，由于泵的突然啟動、停止以及調(diào)節(jié)閥突然故障等，都會發(fā)生水錘現(xiàn)象。過高的正負(fù)壓均可能導(dǎo)致管道爆管和坍塌，過快的水泵倒轉(zhuǎn)可能燒壞機(jī)電設(shè)備，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅生命安全[2]。為了防止水錘破壞管線、燒壞機(jī)電設(shè)備，多種防水錘裝置已經(jīng)投入使用，例如液控蝶閥、空氣閥、空氣罐等。液控蝶閥和空氣閥具有體積小，價(jià)格低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用，取得了明顯成效[3]。但是，長距離供水工程由于水錘引發(fā)的事故仍時(shí)有發(fā)生，水錘防護(hù)仍是研究的重點(diǎn)問題。本文主要研究水錘在液壓蝶閥和空氣閥之間的聯(lián)合防護(hù)。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 水錘計(jì)算模型

水錘的基本方程包括運(yùn)動方程和連續(xù)性方程。它們是兩個(gè)非線性雙曲型偏微分方程組。通常特征線方法用于求解方程[4]。

式中：g為重力加速度，9.805 m/s2；H為節(jié)點(diǎn)壓力，m；x為位置坐標(biāo)，m；v為流速，m/s；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；f為摩擦系數(shù)；D為管徑直徑，m；α 是管道與水平面之間的角度，°；a是水錘波速，m/s。

1.2 液控蝶閥邊界條件

蝶閥也稱為翻板閥，通常安裝在泵出口處。液控蝶閥通過液壓系統(tǒng)控制閥門的關(guān)閉規(guī)律，具有控制性好，調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)，水錘防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。兩階段關(guān)閉液控蝶閥關(guān)閉特性如圖1 所示。

圖1 兩階段關(guān)閉液控蝶閥關(guān)閉特性

如果快速關(guān)閥的時(shí)間為T1，角度為θ1，慢速關(guān)閥的時(shí)間為T2，角度為θ2，兩階段液控蝶閥的特性如下[5]：

不同關(guān)閉角度下的蝶閥水頭損失為：

式中：ξ（θ）是阻力系數(shù)；QP是流入節(jié)點(diǎn)流量，m3/s；A（θ）是液控蝶閥的面積，m2。

1.3 空氣閥邊界條件

空氣閥是一種常見的管路附件，用于在管道充水、排氣以及正常運(yùn)行時(shí)的自動排出或吸入空氣。合理選擇空氣閥不僅可以提高管道運(yùn)行效率，節(jié)約能源，還可以保證項(xiàng)目的安全運(yùn)行?？諝忾y中的空氣流

動是一個(gè)非常復(fù)雜的動態(tài)過程。根據(jù)不同的空氣流入和流出速度，它分為四個(gè)種情況[6]：

空氣以亞音速流進(jìn)：

空氣以臨界速度流進(jìn)：

空氣以亞音速流出：

空氣以臨界速度流出：

式中：m為空氣質(zhì)量流量kg/s；Cin、Cout分別為進(jìn)、排氣流量系數(shù)；A為進(jìn)排氣面積，m2；n為空氣比熱比，取1.4；ρ0為大氣密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度，K。

2 結(jié)果與分析

本文模擬某供水泵站的設(shè)計(jì)流量為0.556 m3/s，管道為26.6 km 的鋼管，管徑為DN800。泵站有四臺泵（三工一備），水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為134 m；設(shè)計(jì)流量為0.17 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，轉(zhuǎn)動慣量（GD2）為166.5 kg·m2。進(jìn)水池的設(shè)計(jì)水位比出水池低88.95 m。供水管道的縱斷面如圖2 所示。根據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，水泵工作點(diǎn)H0為133.967 m，流量Q0為0.185 m3/s。

圖2 管線縱斷圖

2.1 無閥時(shí)停泵水錘

在沒有保護(hù)措施的情況下，最大和最小包絡(luò)線如圖3 所示。

圖3 泵無閥防護(hù)時(shí)停泵水錘包絡(luò)線

通過水力過渡過程的計(jì)算得到：管道內(nèi)最大正壓為132.86 m，相對壓力0.992，最小壓力為-10 m，其相對壓力為-0.075，倒轉(zhuǎn)流量為-0.573 m3/s，倒流出現(xiàn)時(shí)刻為64.4 s，而相對轉(zhuǎn)速比為-0.95。由此看出泵站系統(tǒng)負(fù)壓、泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和倒流流量都很嚴(yán)重。如果不采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，水泵機(jī)組可能由于高速倒轉(zhuǎn)而損壞，上游池可能由于水流倒流過長而造成大量水資源損失，供水管道也可能由于過大的負(fù)壓而坍塌。壓力低于-2m 的樁號為：7+400—8+600，11+600—17+400，18+800—20+800，23+000—26+000，總計(jì)12 000 m。

2.2 設(shè)置水錘防護(hù)措施

2.2.1 設(shè)置兩階段液控蝶閥時(shí)的停泵水錘

在上述工況下，通過數(shù)值模擬，確定了兩階段液控蝶閥的關(guān)閉規(guī)律為：2 s 快速關(guān)閉72°，15 s 關(guān)閉18°。通過計(jì)算液控蝶閥保護(hù)水錘計(jì)算結(jié)果為管道內(nèi)最大正壓為132.88 m，相對壓力0.992，最小壓力為-10 m，其相對壓力為-0.075，倒轉(zhuǎn)流量為-0.573 m3/s，倒流出現(xiàn)時(shí)刻為64.4 s，而相對轉(zhuǎn)速比為0.24，最大和最小頭部包絡(luò)如圖4 所示。同未加液控蝶閥時(shí)相比，可以發(fā)現(xiàn)倒流時(shí)間減少了，水泵機(jī)組停止了倒轉(zhuǎn)。但是，負(fù)壓管道長度有所增加，負(fù)壓還需改善。壓力低于-2 m 的樁號為：70+000—88+000，11+200—17+400，18+600—20+800，23+000—26+000，總 計(jì)12 600 m。

圖4 液控蝶閥防護(hù)時(shí)停泵水錘包絡(luò)線

2.2.2 設(shè)置兩階段液控蝶閥加空氣閥時(shí)的停泵水錘

依據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離供水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》空氣閥選型設(shè)計(jì)要求選擇所需口徑的空氣閥，并確定了它們沿管道的位置。在樁號為1+000，2+000，3+000，3+800，4+800，5+600，6+400，6+800，7+200，7+800，8+600，9+400，10+200，11+200，12+200，13+000，13+800，14+200，14+600，15+000，15+400，16+200，17+000，18+000，18+800，19+800，20+600，21+400，22+400，23+200，24+000，24+600，25+400，26+000 處分別安裝直徑為150 mm 的空氣閥（總計(jì)34 個(gè)），進(jìn)氣系數(shù)為0.97，排氣系數(shù)為0.1。液空蝶閥和空氣閥聯(lián)合防護(hù)作用時(shí)的最大和最小包絡(luò)如圖5 所示。壓力低于-2 m的樁號為：6+400—6+600，6+800—7+000，7+400—7+600，13+200—13+600，13+800—14+000，14+400—14+800，15+000—15+200，15+400—15+600，總計(jì)2 000 m，與無閥防護(hù)相比減少負(fù)壓管線長度10 000 m，負(fù)壓得到明顯改善。與此同時(shí)，不容忽視一點(diǎn)是管道壓力波動有所增加，可能是由于進(jìn)排氣過快引起，在本例中是安全范圍內(nèi)。

圖5 液控蝶閥加空氣閥防護(hù)時(shí)停泵水錘包絡(luò)線

從圖6—圖9 中可以看出，泵后斷面的流量、壓力以及泵轉(zhuǎn)速過程線均符合安全運(yùn)行要求，最危險(xiǎn)點(diǎn)（15+400）的負(fù)壓仍威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要進(jìn)一步采取防護(hù)措施。

圖6 泵后流量過程線

圖7 泵后壓力過程線

圖8 泵后轉(zhuǎn)速過程線

圖9 管道最危險(xiǎn)點(diǎn)壓力變化過程線

3 結(jié)論

一是兩階段液控蝶閥可以減少水流倒泄，防止水泵倒轉(zhuǎn)，但可能加重負(fù)壓情況。

二是空氣閥可以在兩階段液控蝶閥的基礎(chǔ)上有效降低負(fù)壓，但可能也會加劇管道內(nèi)壓力波動，需要合理選型。

三是針對本文模擬工況，雖然正壓、泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)度、倒流流量等問題通過液控蝶閥和空氣閥聯(lián)合防護(hù)得到解決，負(fù)壓也明顯減少，但進(jìn)一步消除負(fù)壓有待進(jìn)一步研究，空氣罐或調(diào)壓井也行能滿足要求。