長距離埋地壓力管道水錘計算分析

王 濤

（安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

長距離供排水工程中，由于沿線地形復(fù)雜，水力元件較多，運行過程中發(fā)生的水錘是威脅工程安全的重要因素。閥門的突然關(guān)閉或者是加壓泵站機組的突然停泵，會導(dǎo)致管道內(nèi)水流的急速變化，同時引起管內(nèi)壓強的急劇波動，甚至超過管道的承壓值，若不采用有效的防護措施，就會造成管道爆裂等水錘事故。因此長距離供排水管道系統(tǒng)工程中應(yīng)充分考慮水錘對工程安全的影響，并對管路系統(tǒng)進行水錘防護設(shè)計。

本文以引江濟淮工程（安徽段）派河截污導(dǎo)流水質(zhì)保護工程主干線加壓段埋地管道為背景，通過瞬變流計算中常用的特征線法建立全系統(tǒng)的水力過渡過程水力模型，提出系統(tǒng)水錘作用引起的非正常運行最不利參數(shù)，并采用有效的水錘防護措施，得出一系列有意義的結(jié)論。

2 工程背景

2.1 工程概況

引江濟淮工程（安徽段）派河截污導(dǎo)流水質(zhì)保護工程是引江濟淮工程的重要組成部分，排水管線跨蜀山、高新、經(jīng)開、濱湖、肥西縣等區(qū)域。工程具有距離長、投資大、難度高等特點，其建成不僅有效保障了引江濟淮派河清水廊道，同時還解決了西部城區(qū)大部污水集中排放問題，奠定合肥西部排水總體格局，對合肥市長遠發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

輸水工程線路總長55.0km，全部采用地面管道形式，其中主干線加壓段管道全長約9km，該段由加壓泵站提水至調(diào)壓池，泵站設(shè)計規(guī)模近期約為50萬t/d，遠期80 萬t/d，采用埋地DN2200 的玻璃鋼夾砂管，雙管敷設(shè)，近期一用一備。近期6 臺加壓泵，5 用1 備；管道承壓值暫取1.0MPa，遠期9 臺加壓泵，8 用1 備。

2.2 計算原理

水錘計算是對整個系統(tǒng)進行計算分析，包括管道內(nèi)點及與管道連接的水池、閥門及其他過流元件。在水錘計算中，對于管道系統(tǒng)內(nèi)點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續(xù)方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了便于計算機計算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)化為水錘全微分方程：

圖1 x-t 坐標系中的水錘特征線圖

有限差分方程式的推導(dǎo)分別是從A、B點沿C+、C-積分到P點，則A點的H由HA變?yōu)镠P，Q由QA變?yōu)镼P，B點的H由HB變?yōu)镠P，Q由QB變?yōu)镼P，可得近似簡化積分式為：

式中：Δx=αΔt。利用以x、t為坐標的矩形網(wǎng)格來描述水錘計算的過程。如圖2 所示，將管路劃分為N個間距均為Δx的步段，斷面排列序號用i表示，管路始端斷面i=1，終端斷面i=N+1，計算時段則為。相容性方程中的角標A、B分別用序號角標“i-1、i+1”代替，P點則用角標“Pi”代替。角標變動后，式（2）、式（3）的簡化式可改寫為：

圖2 簡化差分公式的矩形網(wǎng)格圖

解上述方程可得：

其中：

參數(shù)B、R和綜合參數(shù)Cp、CM可在可計算時段開始時先算出。式（6）、（7）也可寫為：

從式（6）到式（9）便是水錘分析中編入計算機程序的相容性方程。當各點初始狀態(tài)時的Q、H值和邊界點的條件方程已知時，可根據(jù)前一時段t0時刻已知的Q、H值，用式（8）或式（9）求出后一時段t0+Δt時的Q、H值。

3 水錘計算與分析

3.1 管道穩(wěn)定流工況下水錘計算

管道穩(wěn)態(tài)運行壓力線如圖3。

圖3 管道穩(wěn)態(tài)運行壓力線圖

3.2 管道非穩(wěn)定流工況下水錘計算

該工程主干線加壓段采取復(fù)合排氣閥配合箱式雙向調(diào)壓塔的形式預(yù)防水錘，全線共設(shè)置10 座復(fù)合排氣閥，并在靠近起點泵站出口100m 的位置設(shè)置一座雙向調(diào)壓塔。以該段近期50 萬t/d 規(guī)模為例，針對管道的水泵出口處閥門不同快慢關(guān)閥時間及角度時的管道水錘升壓進行具體分析計算，如圖4。

圖4 水泵閥門不同快慢關(guān)閉時間及角度時水錘壓力線圖

3.3 分析與結(jié)論

由水泵出口閥門不同快慢關(guān)時間及角度時水錘壓力線中圖4 可以得到如下結(jié)論：①指定樁號處安裝復(fù)核排氣閥和箱式雙向調(diào)壓塔，當多功能水泵控制閥的快關(guān)時間是5～8s，快關(guān)角度是60°～70°，總關(guān)時間是40～100s 時，管段的水錘升壓基本都降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯，且管道中不出現(xiàn)斷流空腔。②由于管道中的水錘壓力明顯降至承壓以內(nèi)，水泵出口閥門不同的快慢關(guān)時間和角度對管道中的壓力幾乎沒有影響。

4 結(jié)論和建議

通常預(yù)防水錘的方式有：在水泵出口安裝可以緩閉的止回閥；按規(guī)定設(shè)置一定量的排氣閥；在水泵出口及管道重要部位設(shè)置具有超壓泄壓或者防斷流功能的設(shè)備。

判斷水錘的危害程度及采取的水錘防護措施都要以相應(yīng)的停泵水錘為計算基礎(chǔ)，才能更好地、更經(jīng)濟地解決長距離加壓供排水工程中的水錘防護問題。

本工程選擇采用復(fù)核排氣閥配合箱式調(diào)壓塔的方式降壓效果明顯，水泵出口閥門不同總關(guān)時間對管道壓力影響很小，管道壓力安全穩(wěn)定，達到了有效防護管道水錘升壓的作用，為同類的供排水工程的設(shè)計和安全運行提供了參考■