空氣罐與單向塔聯(lián)合水錘防護(hù)在有壓輸水工程中的應(yīng)用

龐宇 楊誠(chéng)志

摘 要：有壓輸水管路多因啟停泵或事故停泵而產(chǎn)生水錘事故，為確保整個(gè)輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要從整體上對(duì)管路進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，分析其水力特性，然后提出合理的防護(hù)措施?；谔卣骶€法和水錘計(jì)算基本方程，本文針對(duì)某提水工程建立數(shù)值模型并進(jìn)行軟件建模，進(jìn)行恒定流與非恒定流計(jì)算。分析發(fā)現(xiàn)，本工程采用沿管線布置空氣罐與單向塔聯(lián)合水錘防護(hù)的措施，可以很好地實(shí)現(xiàn)水錘防護(hù)。

關(guān)鍵詞：水錘防護(hù);空氣罐;單向塔;特征線法;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU991.39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0088-03

Abstract： The pressurized water pipeline is mostly caused by water hammer accidents due to pump start and stop or accidental pump stop， in order to ensure the safe and stable operation of the entire water delivery system， people need to calculate the hydraulic transition process of the pipeline as a whole， analyze its hydraulic characteristics， and then propose reasonable protective measures. Based on the characteristic line method and the basic equations of water hammer calculation， this paper established a numerical model and software modeling for a certain water pumping project to calculate constant flow and unsteady flow. The analysis found that this project adopts the combined water hammer protection measures of air tanks and one-way towers arranged along the pipeline， which can achieve water hammer protection well.

Keywords： water hammer protection;air tank;one-way tower;characteristic line method;numerical simulation

為進(jìn)一步解決供水平衡問題，我國(guó)持續(xù)開展有壓輸水管路系統(tǒng)工程建設(shè)。在建設(shè)過程中，最常見的危險(xiǎn)來自管路水錘，因此采取合適的水錘防護(hù)措施是保障整個(gè)工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。胡建永等[2]采用合理布置空氣閥的方式進(jìn)行水錘安全防護(hù);張健等[3]在確保管道運(yùn)行不出現(xiàn)負(fù)壓的前提下，構(gòu)建了單向塔布置的理論分析和數(shù)值優(yōu)化總體框架，為單向塔在長(zhǎng)輸水管道工程的合理布置提供了參考;李琨等[4]將空氣罐的直徑作為變量，模擬不同體積下的空氣罐對(duì)水錘防護(hù)效果的影響，發(fā)現(xiàn)將液控蝶閥、空氣閥和空氣罐進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)時(shí)，水錘防護(hù)效果最佳;劉有亮等[5]在對(duì)超高揚(yáng)程及長(zhǎng)距離泵站進(jìn)行停泵水錘分析時(shí)，通過軟件模擬分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用液控止回偏心半球閥、空氣閥、壓力波動(dòng)預(yù)止閥等防護(hù)設(shè)備，能有效消除事故停泵時(shí)管線負(fù)壓和降低水錘升壓。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)具體工程特點(diǎn)，人們需要進(jìn)行具體分析，采取合理的防護(hù)措施。

1 基本理論

1.1 有壓管道恒定流數(shù)學(xué)模型

某輸水線路主要由鑄鐵管組成，輸水形式為泵站加壓輸水，水頭損失主要為沿程水頭損失。恒定流計(jì)算采用有壓管道恒定流基本方程——伯努利能量方程開展，控制方程如下：

式中：[Δt]為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng);[ΔL]為特征線網(wǎng)格管段長(zhǎng)度;[k]為特征線網(wǎng)格管段數(shù);[R]為水頭損失系數(shù);[a]為水錘波速;[A]為管道面積;其他符號(hào)意義同前。

水力過渡過程計(jì)算一般從初始穩(wěn)定動(dòng)行狀態(tài)開始，即取此時(shí)[t]=0，當(dāng)[t-kΔt<0]時(shí)，取[t-kΔt=0]作為初始時(shí)刻，式（2）、式（3）均只有兩個(gè)未知數(shù)，將其分別與A、B節(jié)點(diǎn)的邊界條件聯(lián)列計(jì)算，即可求得A、B節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)參數(shù)。

2 工程概況及數(shù)值模擬分析

該有壓輸水工程由進(jìn)水池、取水泵站、供水管道以及出水池組成，采用1根公稱直徑為2 200 mm的鑄鐵管，管中心線高程介于1 856～1 957 m，如圖1所示。設(shè)計(jì)供水流量為21 960 m3/h。泵站安裝4臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵，其中，4臺(tái)工作，0臺(tái)備用。水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為114.80 m，單泵設(shè)計(jì)流量為5 490 m3/h。

2.1 四機(jī)穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算

在四機(jī)設(shè)計(jì)揚(yáng)程運(yùn)行工況下，本研究對(duì)該工程輸水線路開展恒定流計(jì)算，得到測(cè)壓管水頭，如圖2、圖3所示。該輸水線路的輸水流量為21 960 m3/h?。管線無負(fù)壓出現(xiàn)，滿足運(yùn)行要求。

2.2 四機(jī)瞬態(tài)工況計(jì)算

下面根據(jù)輸水線路供水系統(tǒng)圖和線路布置圖，針對(duì)設(shè)計(jì)揚(yáng)程無調(diào)壓措施情況下4臺(tái)水泵同時(shí)事故停機(jī)的工況，開展水力過渡過程計(jì)算分析。無措施事故停機(jī)管線內(nèi)水壓力水頭包絡(luò)線如圖4所示，無措施事故停機(jī)管線測(cè)壓管水頭包絡(luò)線如圖5所示。從結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程4臺(tái)水泵同時(shí)事故停機(jī)的工況下，輸水線路出現(xiàn)較嚴(yán)重負(fù)壓，壓力水頭最小值出現(xiàn)在樁號(hào)4813.28處，為-79.73 m;內(nèi)水壓力水頭最大值出現(xiàn)在水泵出口處，為215.53 m，高于最大內(nèi)水壓力水頭控制值161 m;管線最大測(cè)壓管水頭出現(xiàn)在水泵出口處，為2 072.03 m，管線最小水頭出現(xiàn)在樁號(hào)4 135.97處，為1 872.22 m。水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)。但沿線最大壓力和最小壓力都產(chǎn)生較大的負(fù)壓。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50265—2010）、《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，事故停泵過程中，管道系統(tǒng)中瞬時(shí)最大壓力不應(yīng)大于工作壓力的1.3～1.5倍，管線沿線最小壓力水頭不低于2 m，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，且超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過2 min，因此不滿足規(guī)范要求，其需要增設(shè)水錘防護(hù)措施。

3 空氣罐單向塔聯(lián)合防護(hù)方案

對(duì)于長(zhǎng)輸水系統(tǒng)，空氣罐的作用是當(dāng)管道中出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣罐中的水體向管道中補(bǔ)水來抑制管線沿線負(fù)壓，并通過空氣罐中的高壓氣體抑制水體倒流而產(chǎn)生的高壓。單向調(diào)壓塔可以有效對(duì)管線進(jìn)行水錘防護(hù)。當(dāng)管線內(nèi)壓力降低至一定值時(shí)，單向調(diào)壓塔可以給管道補(bǔ)水，防止產(chǎn)生負(fù)壓而形成水柱分離。

經(jīng)大量?jī)?yōu)化計(jì)算分析，推薦本工程采用如下單向調(diào)壓塔水錘防護(hù)方案。首先，設(shè)置空氣罐1個(gè)，設(shè)置位置為樁號(hào)0處，罐體直徑為3.0 m，高為5.0 m，正常運(yùn)行時(shí)水氣比為3∶2，總體積為35.325 m3，底部連接管直徑為0.45 m。其次，設(shè)置單向調(diào)壓塔3個(gè)，其中，1#單向塔設(shè)置在樁號(hào)2025.97處，罐體直徑為3.0 m，水位高度為9 m，體積為63.585 m3，連接管直徑為1.2 m;2#單向塔設(shè)置在樁號(hào)2460.2處，罐體直徑為4.0 m，水位高度為12 m，體積為150.72 m3，連接管直徑為1.0 m;3#單向塔設(shè)置在樁號(hào)4813.29處，罐體直徑為4.0 m，水位高度為8 m，體積為100.48 m3，連接管直徑為1.0 m。最后，泵出口閥門選用止回閥，四機(jī)運(yùn)行同時(shí)事故停機(jī)和單機(jī)運(yùn)行事故停機(jī)后快速關(guān)閉。具體計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

從計(jì)算結(jié)果得出，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程四臺(tái)水泵同時(shí)事故停機(jī)的工況下，沿線最大內(nèi)水壓力水頭出現(xiàn)在樁號(hào)1058.14處，為158.53 m，小于最大內(nèi)水壓力控制值161 m;沿線最小內(nèi)水壓力水頭出現(xiàn)在樁號(hào)4776.85處，最小內(nèi)水壓力為2.11 m，高于最小內(nèi)水壓力控制值2 m;管線最大測(cè)壓管水頭出現(xiàn)在樁號(hào)290.16處，為2 018.40 m，管線最小測(cè)壓管水頭出現(xiàn)在水泵出口處，為1 892.65 m。水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)，滿足管線運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

針對(duì)本工程四機(jī)運(yùn)行工況，本研究選取了設(shè)計(jì)揚(yáng)程作為典型工況進(jìn)行恒定流計(jì)算分析。四機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況無負(fù)壓出現(xiàn)，滿足管線運(yùn)行要求。在無調(diào)壓措施下四機(jī)運(yùn)行同時(shí)事故停機(jī)時(shí)，管線出現(xiàn)負(fù)壓，沿線最大壓力和最小壓力不滿足規(guī)范要求，其需要增設(shè)水錘防護(hù)措施。針對(duì)本工程的特點(diǎn)，本文開展了空氣罐單向塔聯(lián)合防護(hù)方案的計(jì)算優(yōu)化分析，得到較理想的水錘防護(hù)效果，沿線最小壓力、最大壓力和水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均滿足管線運(yùn)行要求。

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