大型灌區(qū)供水系統(tǒng)水錘防護(hù)研究

王 拴 定

(陜西省涇惠渠灌溉中心， 陜西 三原 713800)

大型灌區(qū)在我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位，其生產(chǎn)糧食占全國(guó)1/4，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值占全國(guó)1/3，灌溉用水量約1 500億m3，是重要的產(chǎn)糧基地。由泵站及輸水管路組成的供水系統(tǒng)作為灌區(qū)最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)常同時(shí)擔(dān)負(fù)著向城市及農(nóng)村生活、工業(yè)供水的任務(wù)，因此確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行對(duì)于大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源配置具有重要意義。水錘是危害大型灌區(qū)供水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素，大型灌區(qū)供水系統(tǒng)由于較長(zhǎng)的管線以及管線的起伏變化、輸水運(yùn)行過程中的開關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)、充水和放空等工況[1-3]，均有可能引起水錘危害。

常用的水錘防護(hù)措施有多種，如調(diào)壓池、空氣閥、空氣罐、水錘消除器、可控閥、止回閥加旁通管和增加水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等[4-7]。針對(duì)大型灌區(qū)供水系統(tǒng)，如何在設(shè)計(jì)中全面、有效地預(yù)測(cè)管道瞬態(tài)壓力，分析可能會(huì)產(chǎn)生的水錘危害，進(jìn)而確定出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的水錘防護(hù)措施，是確保大型灌區(qū)安全運(yùn)行的重要前提[8-9]。常用的水錘防護(hù)措施有多種，如調(diào)壓池、空氣閥、空氣罐、水錘消除器、可控閥、止回閥加旁通管和增加水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，本研究依托陜西省某大型灌區(qū)供水系統(tǒng)，在泵站供水系統(tǒng)改造中利用水力模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬不同工況條件下供水系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化，分析各工況下管路可能出現(xiàn)的最大正壓和負(fù)壓值，并通過在各不利點(diǎn)設(shè)置水錘防護(hù)措施，最大限度降低水錘的危害，對(duì)確保大型灌區(qū)供水系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程特性

本次研究對(duì)象為陜西省某大型灌區(qū)5個(gè)主要供水系統(tǒng)之一，為水庫和渠道結(jié)合供水泵站，承擔(dān)著灌區(qū)內(nèi)共計(jì)2 466.67 hm2農(nóng)田的灌溉任務(wù)。工程主要系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖如圖1所示，該大型灌溉泵站具有流量大、揚(yáng)程高的特點(diǎn)，同時(shí)輸水管線較長(zhǎng)且沿線地形坡度變化大。如遇斷電、停泵等突然事故，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)易產(chǎn)生較嚴(yán)重的水錘危害。因此，有必要對(duì)供水系統(tǒng)的水力運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，為工程布置提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖1 供水系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

1.2 基礎(chǔ)參數(shù)

泵站設(shè)計(jì)總流量3.6 m3/s，靜揚(yáng)程132.518 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程約148 m，總裝機(jī)功率為7 500 kW。供水機(jī)組4臺(tái)，其中2臺(tái)大泵和2臺(tái)小泵分別兩兩并聯(lián)，小泵流量設(shè)為大泵流量的1/2。供水距離約1 650 m，采用2條球墨鑄鐵輸水管，管徑分別為DN800和DN1200，采用直埋敷設(shè)。泵房?jī)?nèi)的管路、前后銜接段，岔管、鎮(zhèn)墩彎頭和出水池段管路采用鋼管。管線依據(jù)地形坡度可分為三段：(1) 水泵出水口至樁號(hào)K0+350區(qū)間，坡度約1∶10，地形較陡；(2) 樁號(hào)K0+350至K1+300區(qū)間，地形平緩，坡度約1∶1；(3) 樁號(hào)K1+300至出水池(K1+650)區(qū)間，坡度約1∶4，地形較陡。

2 水錘計(jì)算分析

為準(zhǔn)確模擬并評(píng)估因停泵引發(fā)的水錘危害，本研究采用BentleyHammer專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行模擬[10]。對(duì)管道全線進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)一些易引發(fā)水錘的地點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，模擬計(jì)算管道的穩(wěn)定性，得出壓力管道系統(tǒng)由于水錘造成的最大壓力變化情況，以期有針對(duì)地選取防護(hù)措施。

2.1 計(jì)算模型

建模是水錘計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究采用特征線法對(duì)水錘進(jìn)行模擬計(jì)算[11]，對(duì)于壓力管道非恒定流過渡過程，運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程是流動(dòng)的基本控制方程[12-15]：

(1)

(2)

式中:h為水頭;Q為流量;A為管道斷面面積;λ為管路摩阻系數(shù);a為水錘波傳播速度;t為時(shí)間;x為位置坐標(biāo)。

上述兩方程為準(zhǔn)線性雙曲型偏微分方程，進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化后，即得特征線方程為：

(3)

當(dāng)

(4)

和

(5)

當(dāng)

(6)

參閱圖2特征線可知，假設(shè)在t=t0時(shí)的狀態(tài)為已知，這時(shí)狀態(tài)不是最初已經(jīng)知道，就是在前一時(shí)段已經(jīng)計(jì)算出來。計(jì)算t0+Δt時(shí)的狀態(tài)，沿正特征線AP可得:

dQ=QP-QA

(7)

dh=hP-hA

(8)

圖2 水錘計(jì)算特征線示意圖

同樣，沿負(fù)特征線BP可得:

dQ=QP-QB

(9)

dh=hP-hB

(10)

式中:下標(biāo)表示在x-t平面上的位置。

特征線法采用有限差分法數(shù)值求解水力瞬變。計(jì)算在A、B兩點(diǎn)摩擦阻力并用Δt遍乘后得到：

(11)

(12)

式(11)、式(12)可寫為：

QP=CA-CPhP

(13)

QP=CB+CPhP

(14)

式中

(15)

(16)

(17)

每個(gè)時(shí)段內(nèi)，常量CA和CB是已知的，CP取決于管道特性。將方程式(13)叫做正特征方程，方程式(14)叫做負(fù)特征方程。

這樣，利用方程式(13)和式(14)可確定時(shí)段末所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，而在邊界處，使用相應(yīng)的特征方程配合邊界條件即可求解得到邊界結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，從而可以完成一個(gè)時(shí)段內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的水錘計(jì)算，再以此時(shí)段末的流動(dòng)狀態(tài)作為下一時(shí)段計(jì)算的初始狀態(tài)，即可最終完成整個(gè)系統(tǒng)全過程的水錘計(jì)算。

2.2 穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算

停泵水錘研究首先應(yīng)分析水泵正常運(yùn)行狀態(tài)下的工況，即穩(wěn)態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況主要分析管路沿線的正常壓力分布，為水錘分析提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本工程穩(wěn)態(tài)壓力分布見圖2。由圖2可看出，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管路最大壓力位于水泵出口，最小壓力位于管網(wǎng)末端附近，最大壓力為1 417 kPa，最小壓力為-1.7 kPa。

2.3 停泵水錘計(jì)算

停泵不關(guān)閥工況主要用于探究停泵(包括事故停泵)且水泵出口未設(shè)置止回閥的情況下，管路和水泵是否會(huì)產(chǎn)生水泵倒轉(zhuǎn)、管路正負(fù)壓等影響系統(tǒng)安全的不利工況。管路負(fù)壓過大可能會(huì)將管道壓扁，水泵倒轉(zhuǎn)時(shí)間過長(zhǎng)可能造成電機(jī)燒毀、水泵葉輪脫落、泵軸滲漏等危害。本工程停泵不關(guān)閥工況下的壓力分布見圖3，水泵倒轉(zhuǎn)時(shí)間見表1。

表1 停泵工況的時(shí)間特征值表

圖3 穩(wěn)態(tài)工況與停泵工況下壓力及水頭分布

由圖3和表1可看出，停泵不關(guān)閥時(shí)，管路正壓在系統(tǒng)承壓范圍內(nèi)，管路最大負(fù)壓達(dá)到-97.9 kPa，水泵反轉(zhuǎn)速度超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。即本工程停泵不關(guān)閥時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓和水泵反轉(zhuǎn)會(huì)危害管路和機(jī)組安全，需要采取防治措施。

3 防護(hù)措施優(yōu)化

3.1 水錘防護(hù)方案比選

針對(duì)有壓供水系統(tǒng)，常用的水錘防護(hù)措施根據(jù)防護(hù)原理，可分為注水或注氣穩(wěn)壓、泄水降壓、調(diào)流穩(wěn)壓以及管道與設(shè)備系統(tǒng)調(diào)整等方式[16-17]。綜合前述分析，發(fā)生突然停泵時(shí)，輸水管路中將會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)壓，負(fù)壓過大時(shí)，會(huì)引起管道向內(nèi)壓縮，進(jìn)而造成輸水管路的失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅灌區(qū)供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此，本研究需重點(diǎn)關(guān)注斷流彌合水錘的防護(hù)。防治此類水錘的主要辦法為消除負(fù)壓，結(jié)合本工程流量大、揚(yáng)程高且輸水管線較長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)水錘防護(hù)方案進(jìn)行比選，比選結(jié)果見表2。

由表2可知，空氣閥、緩閉止回閥和雙向調(diào)壓塔兩項(xiàng)防護(hù)措施均能適用本供水工程。通過系統(tǒng)模擬，本工程設(shè)置進(jìn)排氣閥無法有效防治水泵水錘，為進(jìn)一步選定更優(yōu)的水錘防護(hù)方案，本研究采用設(shè)置緩閉止回閥、設(shè)置雙向調(diào)壓塔的綜合方式對(duì)水錘進(jìn)行控制。

表2 水錘防護(hù)方案比選

3.2 設(shè)置緩閉式止回閥

為防止水泵倒轉(zhuǎn)，本研究擬定在水泵出口設(shè)置兩階段關(guān)閉液控蝶閥，并優(yōu)化泵后出口閥門的開啟和關(guān)閉規(guī)律。通過調(diào)整閥門的緩閉時(shí)間，分析供水系統(tǒng)內(nèi)壓力變化情況。不同緩閉時(shí)間的水錘壓力變化見表3，壓力包絡(luò)線見圖4。

表3 不同關(guān)閥時(shí)間的水錘壓力

圖4 設(shè)緩閉閥時(shí)的壓力包絡(luò)線

從表3可以看出，大泵關(guān)閉時(shí)間選擇第一階段4 s關(guān)閉75%，第二階段35 s關(guān)閉25%；小泵關(guān)閉時(shí)間選擇第一階段6 s關(guān)閉75%，第二階段40 s關(guān)閉25%，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)最大升壓和最大反轉(zhuǎn)速最小。在此基礎(chǔ)上，由圖3可看出，僅設(shè)緩閉止回閥的情況下，當(dāng)供水系統(tǒng)發(fā)生停泵時(shí)，管路系統(tǒng)出現(xiàn)較大水錘現(xiàn)象。其中，整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)的最大壓力為188.5 m，較穩(wěn)態(tài)壓力升壓45.74 m，小于系統(tǒng)中閥門和管道的最大設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，在系統(tǒng)允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。

但另一方面，出現(xiàn)停泵后，在供水系統(tǒng)中水泵后方出現(xiàn)負(fù)壓波并向下游輸水管路傳播，在管路K0+250至K0+850區(qū)間段達(dá)到峰值-9.79 m，較穩(wěn)態(tài)壓力降壓152.55 m。根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果可知，管路K0+350為明顯的駝峰點(diǎn)，上下游坡度變化較大，在停泵時(shí)水流速度出現(xiàn)較大變化，負(fù)壓波傳輸?shù)皆擖c(diǎn)導(dǎo)致水柱斷裂，產(chǎn)生斷流彌合水錘。由此可見，緩閉止回閥雖然能夠起到有效的水錘防護(hù)效果，但在大型輸水工程中，單一利用緩閉止回閥無法對(duì)管路沿線的斷流彌合水錘進(jìn)行防護(hù)，必須結(jié)合其他水錘防護(hù)措施才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的有效防護(hù)。

3.3 雙向調(diào)壓池

針對(duì)灌區(qū)供水系統(tǒng)改造，調(diào)壓池構(gòu)造簡(jiǎn)單可靠，對(duì)原系統(tǒng)的影響最小，且所有構(gòu)件均無敏感或易損設(shè)備，較吸氣閥等防水錘部件而言，可有效防止管路系統(tǒng)吸氣后管路內(nèi)的氣體震蕩，產(chǎn)生新的水錘，可有效保證系統(tǒng)安全性。因此，本研究擬定在管路設(shè)置緩閉止回閥的基礎(chǔ)上，于水錘斷裂區(qū)域附近增加雙向調(diào)壓池，以期最大限度降低水錘危害。

根據(jù)供水系統(tǒng)工程布置特性，在管路駝峰點(diǎn)K0+350處設(shè)置調(diào)壓池，從調(diào)壓池引出2根DN600連通管和2根DN400連通管分別與DN1200和DN800輸水主干管連接，可起到互為備用的目的，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，并在調(diào)壓水池的出水管上設(shè)電動(dòng)閘閥和止回閥。優(yōu)化后的水錘防護(hù)原理為：調(diào)壓池內(nèi)水體通過連通管與主管道連接，當(dāng)發(fā)生突然停泵工況時(shí)，調(diào)壓水池依據(jù)管道壓力變化自動(dòng)向壓力管道補(bǔ)水，以此來反射水錘波，抑制管道內(nèi)壓力波動(dòng)。調(diào)壓水池進(jìn)水閥及出水電動(dòng)閘閥與機(jī)組開啟同步，水池水位達(dá)到最低水位時(shí)出水電動(dòng)閘閥關(guān)閉。

對(duì)設(shè)置調(diào)壓池后的供水系統(tǒng)重新進(jìn)行模擬計(jì)算，增加防護(hù)后供水系統(tǒng)內(nèi)水錘壓力的變化詳見表4，壓力包絡(luò)線見圖5。

表4 設(shè)置調(diào)壓池時(shí)不同關(guān)閥時(shí)間的水錘壓力表

由復(fù)核結(jié)果可以看出，管路系統(tǒng)設(shè)置調(diào)壓池后，可有效消除停泵事故造成的管道系統(tǒng)負(fù)壓?jiǎn)栴}，泵后管道及輸水管道內(nèi)未出現(xiàn)水柱斷裂區(qū)域。管路最高水錘壓力為172 m，較單一設(shè)置緩閉止回閥的最大壓力188.5 m降低了16.5 m；最低水錘壓力為-1.4 m，較單一設(shè)置緩閉止回閥的最低壓力-9.79 m提升了8.39 m。其最高升壓29.24 m，最高降壓為144.16 m，滿足規(guī)范要求，且較單一設(shè)置緩閉止回閥措施有更好的水錘防護(hù)效果。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)某大型灌區(qū)內(nèi)典型的大流量、高揚(yáng)程的長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)開展停泵水錘防護(hù)研究，利用供水系統(tǒng)更新改造，在原供水系統(tǒng)中泵后設(shè)置緩閉止回閥，同時(shí)在管道關(guān)鍵點(diǎn)處增設(shè)調(diào)壓池對(duì)斷流彌合水錘進(jìn)行防護(hù)，并采用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)增設(shè)防護(hù)措施后的供水系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。根據(jù)研究結(jié)果，管路最高升壓29.24 m，最高降壓為144.16 m，滿足規(guī)范要求；泵后管道及輸水管道內(nèi)未出現(xiàn)水柱斷裂區(qū)域，有效地消除了因停泵事故造成的管道系統(tǒng)負(fù)壓?jiǎn)栴}。該防護(hù)設(shè)計(jì)現(xiàn)已投入運(yùn)行，期間多次模擬失電狀態(tài)，壓力檢測(cè)數(shù)據(jù)均在安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)均保持安全可靠。在供水系統(tǒng)的低洼點(diǎn)、駝峰點(diǎn)等管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置調(diào)壓池消除水錘的效果明顯優(yōu)于其他方式，在大型灌區(qū)供水系統(tǒng)中值得推廣。