引漢濟(jì)渭工程長(zhǎng)距離有壓輸水管道水錘計(jì)算分析

王智陽(yáng)　魏燕　連陽(yáng)陽(yáng)

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離輸水;壓力管道;水錘;特征線法;水力過渡過程;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TU991.39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.024

引用格式：王智陽(yáng)，魏燕，連陽(yáng)陽(yáng).引漢濟(jì)渭工程長(zhǎng)距離有壓輸水管道水錘計(jì)算分析[J].人民黃河，2022，44（3）：122-127.

長(zhǎng)距離有壓管道輸水水流條件復(fù)雜、沿程磨損較大，且運(yùn)行過程中閥門的調(diào)節(jié)或事故的發(fā)生等都會(huì)導(dǎo)致沿線的流量、流速、壓力等水力參數(shù)發(fā)生急劇變化，進(jìn)而引起水錘現(xiàn)象，對(duì)輸水過程造成不利影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成輸水管道爆裂[1-6]。因此，為了滿足實(shí)際輸水需要，保證輸水管線安全運(yùn)行，在工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行時(shí)，對(duì)有壓輸水管道進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，并選擇安全可靠、方便合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的水錘防護(hù)措施具有重要的意義。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)有壓輸水管道系統(tǒng)伴有空穴流、液柱分離兩相瞬變流現(xiàn)象的研究取得了較大進(jìn)展。楊開林等[7]對(duì)輸水管道氣泡動(dòng)力特性進(jìn)行了研究;黃玉毅等[8]對(duì)有壓輸水管道系統(tǒng)發(fā)生液柱分離現(xiàn)象進(jìn)行了理論研究;宋張馳[9]在水錘理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了斷流彌合水錘實(shí)驗(yàn)，通過控制不同的關(guān)閥時(shí)間，監(jiān)測(cè)發(fā)生斷流彌合水錘時(shí)管道流量變化值及測(cè)壓點(diǎn)壓力變化值，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步指導(dǎo)水錘的理論研究。

引漢濟(jì)渭工程是陜西省境內(nèi)的一項(xiàng)跨流域調(diào)水工程，輸配水工程作為引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線及相應(yīng)的輸水支線組成。北干線黃池溝配水樞紐至板橋出水池段輸水線路長(zhǎng)、流量大，輸水線路沿線地勢(shì)起伏不平，管線最低處管內(nèi)最大凈水頭差約101m，有壓管道內(nèi)水流流速急劇變化，容易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，導(dǎo)致管道系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)或者爆裂。因此，進(jìn)行輸水管線水力過渡過程計(jì)算，分析水力過渡過程中的水流特性，對(duì)輸水管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

筆者采用特征線法，通過建立長(zhǎng)距離輸水管線水錘計(jì)算數(shù)學(xué)模型，對(duì)引漢濟(jì)渭二期工程北干線黃池溝配水樞紐至板橋出水池段輸水管道系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)、檢修切除管段運(yùn)行狀態(tài)（分水口控制流量、分水口控制開度）和爆管狀態(tài)下的水錘現(xiàn)象及變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究，確定了閥門最優(yōu)開閉規(guī)律和操作規(guī)程，為引漢濟(jì)渭工程輸水管線的安全運(yùn)行提供理論支撐，也為類似長(zhǎng)距離輸水管線的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供借鑒。

1基本資料

1.1工程概況

引漢濟(jì)渭二期工程由黃池溝配水樞紐、南干線黃池溝至灞河分水口段和北干線黃池溝至涇河新城分水口段等骨干工程組成。北干線全長(zhǎng)約89.5km，始端設(shè)計(jì)流量30m/s，其中黃池溝至板橋出水池段全長(zhǎng)約39.5km，沿線地形起伏高差大，全段采用重力流壓力管道輸水。黃池溝配水樞紐作為調(diào)水工程和輸配水工程的銜接點(diǎn)，由分水池、池周進(jìn)出水閘、池底泄洪設(shè)施、黑河連接洞、黃池溝黑河供水連通洞組成，具有“兩進(jìn)、三出、一放空、一溢流”的綜合使用要求。

上黃池進(jìn)口接北干線黃池溝隧洞出口，出口接壓力管道閘室，作為水力連接通道，無(wú)調(diào)蓄要求。按設(shè)計(jì)流量輸水時(shí)，進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位514.13m，出水管中心高程505.18m，池水位與管中心高差8.95m;小流量（5.5m/s）輸水時(shí)，擬通過板橋進(jìn)水池設(shè)置的調(diào)流調(diào)壓閥控制，實(shí)現(xiàn)淹沒要求。板橋出水池由管道段、調(diào)流調(diào)壓段、出水池段組成，池頂高程500.00m，出水池設(shè)計(jì)水位498.00m。管道段總長(zhǎng)72.05m，將2根DN3400鋼管通過分水器分為8根DN1600鋼管，接入調(diào)流調(diào)壓段。調(diào)流調(diào)壓段總長(zhǎng)41.90m，8根DN1600鋼管依次布設(shè)超聲波流量計(jì)、半球閥、調(diào)流調(diào)壓閥及半球閥，然后進(jìn)入出水池。上黃池至板橋段連通閥、分水閥布置如圖1所示（1為連通閥;2、3為前閥;4、6為后閥）。

1.2壓力控制及水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265—2010）、《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T281—2020）、《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（SL430—2008）的規(guī)定，并結(jié)合工程管線布置特征，水錘計(jì)算壓力控制標(biāo)準(zhǔn)如下：①在各種設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，管道不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)壓;②采取水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)后的輸水管道系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)水柱分離，瞬時(shí)最高壓力不應(yīng)大于工作壓力的1.5倍;③管道頂端至少在最小壓力（壓力均以水頭計(jì)，下同）線以下2m;④壓力涵管的最小壓力不宜小于2m，在管道出口處可根據(jù)情況適當(dāng)降低，但不應(yīng)小于1m。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，確定該工程的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為：①采取水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)后的瞬時(shí)最高壓力不超過管道設(shè)計(jì)壓力。②非進(jìn)、出口管段，采取水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)后的瞬時(shí)最高壓力不大于工作壓力的1.3倍。上黃池至板橋出水池壓力管段，計(jì)算最高壓力倍數(shù)時(shí)以板橋出水池處末端閥全關(guān)、上黃池水位514.88m的靜水壓力為基準(zhǔn)工作壓力。因此，靜水壓力在4～105m范圍，且最低管道設(shè)計(jì)壓力80m，計(jì)算最高壓力倍數(shù)時(shí)只考慮靜水壓力超過35m的非進(jìn)、出口管段。③正常運(yùn)行狀態(tài)切換或過渡工況采取水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)后，非進(jìn)、出口管段的壓力管道頂端的最小壓力不小于2m，進(jìn)、出口管段壓力管道頂端的最小壓力不小于1m。

2計(jì)算基本原理及計(jì)算模型

2.1水錘計(jì)算基本原理

水錘基本方程理論基礎(chǔ)是非恒定流的力學(xué)規(guī)律和連續(xù)原理，通過運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程反映水力過渡過程中不穩(wěn)定水流的流速和水頭變化規(guī)律[10-13]。水錘計(jì)算基本微分方程可在特征線方向轉(zhuǎn)換為全微分方程：

2.3水力過渡過程計(jì)算模型

對(duì)武漢大學(xué)開發(fā)的復(fù)雜管路多泵系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算軟件進(jìn)行升級(jí)，建立連通閥（7閥組合，不需要旁通閥時(shí)取關(guān)閉狀態(tài)）計(jì)算模型，計(jì)算界面如圖3所示?？筛鶕?jù)需要設(shè)置主閥和旁通閥的開度，也可擬定兩階段關(guān)閥的過程（計(jì)算中按蝶閥或球閥給出性能曲線）。針對(duì)檢修閥（4閥并聯(lián)組合，用不到的閥門取關(guān)閉狀態(tài)）、調(diào)流調(diào)壓閥、分水口（因分水口后面管道系統(tǒng)未知，故只考慮分流流量，假定在分水口處有一個(gè)閘閥，分流流量隨閘閥開度變化）等均建立了計(jì)算模型。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和最小流量?jī)煞N穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算。設(shè)計(jì)流量穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)考慮末端調(diào)流調(diào)壓閥全開以最大流量放水及末端調(diào)流調(diào)壓閥部分開啟以設(shè)計(jì)流量放水兩種工況。最小流量穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)只考慮單根供水管線運(yùn)行，沿程檢修閥全開、連通閥全閉，末端調(diào)流調(diào)壓閥部分開啟工況。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果見表1，管道壓力沿程分布線見圖4。

計(jì)算結(jié)果表明：①末端調(diào)流調(diào)壓閥全開最大流量運(yùn)行時(shí)，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，均大于設(shè)計(jì)流量（首端30.0m/s、末端23.0m/s）;②末端調(diào)流調(diào)壓閥部分開啟、設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，調(diào)算得到末端調(diào)流調(diào)壓閥的開度為11.31%;③最小流量運(yùn)行時(shí)，調(diào)算得到末端調(diào)流調(diào)壓閥的開度為1.29%，在此開度下，單管道首端流量5.0m/s，末端流量3.83m/s;④系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，全線最大壓力出現(xiàn)在沙河倒虹吸處（樁號(hào)15+578附近），非進(jìn)出口段管頂最小壓力均大于2m，滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，全線最小壓力出現(xiàn)在出口板橋出水池處;最小流量運(yùn)行時(shí)，全線最小壓力出現(xiàn)在上黃池的管道首端。

3.2系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)

系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)為由初始充滿水零流量的靜壓狀態(tài)啟動(dòng)到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)起運(yùn)過程、停運(yùn)過程、設(shè)計(jì)流量運(yùn)行過渡到最小流量運(yùn)行、最小流量運(yùn)行過渡到設(shè)計(jì)流量運(yùn)行、并管運(yùn)行狀態(tài)（按最不利情況考慮，假定一根管線按設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，另一根管線沒有運(yùn)行，分水閥、末端閥全關(guān)）5種工況進(jìn)行了計(jì)算。系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果見表2。

計(jì)算結(jié)果表明：①系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，需要相應(yīng)地改變末端調(diào)流調(diào)壓閥的開度，由此容易產(chǎn)生較大的關(guān)閥水錘。系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)關(guān)閥水錘產(chǎn)生的壓力波動(dòng)更大，利用末端調(diào)流調(diào)壓閥來延長(zhǎng)關(guān)閉過程，水錘壓力均在允許范圍內(nèi)。②系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)全線最大壓力110.593m，相比于工作壓力（靜水位514.88m下的壓力），全線最大壓力倍數(shù)1.481，非進(jìn)出口段最大壓力倍數(shù)1.247，滿足“非進(jìn)出口段最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力5.244m，高于防護(hù)要求最小壓力（-1.81m），不會(huì)出現(xiàn)水柱分離。因此，主管末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥并緩慢關(guān)閉以進(jìn)行工況切換是非常必要的。③當(dāng)兩根管運(yùn)行狀態(tài)差別較大時(shí)，打開連通閥會(huì)產(chǎn)生開閥水錘，且振蕩較劇烈，主要原因是連通閥不帶通閥，會(huì)加劇水錘。因此，連通閥的開關(guān)時(shí)間應(yīng)取較長(zhǎng)時(shí)間，計(jì)算中取180s，實(shí)際操作時(shí)可取更長(zhǎng)。

3.3系統(tǒng)檢修切除管段運(yùn)行

對(duì)系統(tǒng)按設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)某管段發(fā)生故障或需要檢修切除部分管段進(jìn)行了模擬計(jì)算，分別考慮控制分水閥流量和開度兩種情況，并設(shè)定7段（連通井、退水閥、檢修閥）檢修工況。系統(tǒng)檢修狀態(tài)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果見表3。

計(jì)算結(jié)果表明：①控制分水閥流量的壓力波動(dòng)較控制分水閥開度的壓力波動(dòng)更大，原因是采用控制分水閥開度時(shí)，假定外面壓力不變，導(dǎo)致邊界條件起到了調(diào)蓄作用。控制分水閥開度的分水流量波動(dòng)情況表明，切換部分管段后，在不加大末端調(diào)流調(diào)壓閥開度的情況下，系統(tǒng)各分水口的流量均可達(dá)到設(shè)計(jì)流量的70%。②為減小壓力波動(dòng)，調(diào)算確定檢修切換時(shí)，連通閥在180s內(nèi)打開，各主閥開閉時(shí)間為480s（原初步計(jì)算確定為主閥開閉時(shí)間180s，旁通閥的主閥開閉時(shí)間為300s，旁通閥不參與正常運(yùn)行中的工況切換），計(jì)算得到正常切換后的壓力都在允許范圍內(nèi)。③系統(tǒng)檢修切除管段運(yùn)行狀態(tài)下，全線最大壓力104.858m，相比于工作壓力（靜水位514.88m下的壓力），全線最大壓力倍數(shù)1.062，滿足“最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力3.422m，高于防護(hù)最小壓力-6.0m;管頂最小壓力1.722m，但最小壓力出現(xiàn)在出口段，仍滿足“管道頂端的最小壓力水頭，非進(jìn)、出口段不小于2m，進(jìn)、出口段管的不小于1m”的防護(hù)要求，不會(huì)出現(xiàn)水柱分離。

3.4爆管計(jì)算

考慮較低位置PCCP管發(fā)生爆管的極端工況，以復(fù)核管道極端情況下的壓力，并在不引起二次水錘情況下進(jìn)行閥門操作。假設(shè)在1號(hào)管線上進(jìn)口閘和1#連接閥井之間（樁號(hào)7+200）發(fā)生爆管，由于爆管屬于非常工況，因此模擬計(jì)算允許水流汽化，可采用水柱分離模型，爆管點(diǎn)可近似處理為泄壓閥突然打開（按最不利情況，設(shè)泄壓閥在2s內(nèi)突然完全打開）。分別對(duì)爆管不關(guān)閥、先打開連通閥再切除爆管段、先切除爆管段再打開連通閥3種工況進(jìn)行了計(jì)算。爆管狀態(tài)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果見表4。

爆管狀態(tài)水力過渡過程計(jì)算結(jié)果表明：①爆管口面積占主管面積100%時(shí)，計(jì)算得到爆管后全線最大壓力為123.878m，全線壓力升高，但未超過管道的設(shè)計(jì)壓力;全線最大壓力倍數(shù)2.441，非進(jìn)出口管段最大壓力倍數(shù)1.616，不能滿足“非進(jìn)出口段最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力-9.5m，全線發(fā)生了大范圍的水柱分離及再?gòu)浐稀＂卺槍?duì)不同的爆管面積比情況進(jìn)行計(jì)算，以不引起二次爆管為原則，擬定了將爆管點(diǎn)所在段切除的相應(yīng)閥門操作程序。結(jié)果表明：如果先連通兩根主管，再切除爆管段，則可利用2號(hào)管線向發(fā)生爆管的1號(hào)管線補(bǔ)水，連通閥打開時(shí)間180s，切除爆管段的主閥可以在480s內(nèi)關(guān)閉，但2號(hào)管線受影響較大;如果先切除爆管段，再連通兩根主管，則因爆管泄漏流量大，故切除爆管段的主閥關(guān)閉時(shí)間需要1200s，然后打開連通閥時(shí)間300s，關(guān)閥時(shí)間較長(zhǎng)，棄水量大，但2號(hào)管線受影響較小。因此，從系統(tǒng)安全性及供水可靠性出發(fā)，建議發(fā)生爆管時(shí)，先切除爆管段，再連通兩根主管。

4結(jié)論

根據(jù)引漢濟(jì)渭二期工程北干線上黃池至板橋段輸水管線工程特點(diǎn)，利用水錘數(shù)值分析軟件建立了長(zhǎng)距離輸水管線水錘計(jì)算基本模型，采用特征線法對(duì)39.5km的壓力管道系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)、檢修切除管段運(yùn)行狀態(tài)（分水口控制流量、分水口控制開度）和爆管時(shí)的水力過渡過程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)輸水管道系統(tǒng)末端閥門的關(guān)閉和打開方式進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了閥門的操作規(guī)程。結(jié)果表明：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，在不調(diào)小末端調(diào)流調(diào)壓閥開度的情況下，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，滿足設(shè)計(jì)要求的供水能力。

（2）系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過減小末端閥開度以減小系統(tǒng)流量容易產(chǎn)生較大的關(guān)閥水錘壓力，主管末端應(yīng)設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥并緩慢關(guān)閉以進(jìn)行工況切換。

當(dāng)兩根管運(yùn)行狀態(tài)差別較大時(shí)，打開連通閥會(huì)產(chǎn)生開閥水錘，且振蕩較劇烈，連通閥的開關(guān)時(shí)間應(yīng)取較長(zhǎng)時(shí)間，本次計(jì)算取180s，實(shí)際操作時(shí)可取更長(zhǎng)。

（3）系統(tǒng)檢修切除管段運(yùn)行時(shí)，控制分水閥開度的分水流量波動(dòng)情況表明：切換部分管段后，在不加大末端調(diào)流調(diào)壓閥開度的情況下，系統(tǒng)各分水口的流量均可達(dá)到設(shè)計(jì)流量的70%，因此控制分水閥流量在設(shè)計(jì)流量的70%是可行的。此外，為減小波動(dòng)壓力，連通閥在180s內(nèi)打開、各主閥開閉時(shí)間為480s，正常切換后的壓力都在允許范圍內(nèi)。

（4）若PCCP管發(fā)生爆管，爆管口面積占主管面積100%時(shí)，全線壓力升高并發(fā)生大范圍的水柱分離及再?gòu)浐?，但整體未超過管道設(shè)計(jì)壓力。此外，通過研究爆管狀態(tài)下爆管點(diǎn)所在管段切除相應(yīng)閥門的操作規(guī)程可以看出，發(fā)生爆管時(shí)先切除爆管段，再連通主管，可保證系統(tǒng)安全性及供水可靠性。

【責(zé)任編輯 張華巖】