任玉瑩

(哈爾濱功達(dá)給排水技術(shù)有限公司，哈爾濱 150000)

0 引 言

長距離輸水工程是對(duì)水源進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊活惞こ?，通過跨區(qū)域調(diào)水的方式改變水資源分布無法滿足用水實(shí)際的問題，這種人為手段的優(yōu)點(diǎn)在于有效優(yōu)化地區(qū)生活條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。此類工程同樣也存在輸水量大，距離遠(yuǎn)，水源輸送所需時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加的特點(diǎn)[1]。

重力流和泵送流是長距離輸水的基礎(chǔ)輸水方式，其中長距離重力流輸水工程具有可利用的地形高差，管線可根據(jù)地形起伏平行鋪設(shè)，且在輸水過程中可利用天然落差重力自流的特點(diǎn)[2]，一定程度上的節(jié)省了工程造價(jià)、降低管線運(yùn)行費(fèi)用，且便于進(jìn)行管線日常的運(yùn)行維護(hù)管理工作。因而一般在工程條件滿足重力流要求的前提下，建議優(yōu)先選擇重力流輸水方式。但其仍然存在一些自身缺陷，如管線閥門關(guān)閉操作不當(dāng)或出現(xiàn)故障時(shí)[3]，地形起伏落差高低與管道承受的壓力大小成正比，導(dǎo)致水錘引起的爆管事故頻發(fā)的問題。

長距離大口徑多起伏重力流輸水管線的主要特點(diǎn)為管線及閥門等附件口徑大、管線距離長、地形高低交替起伏多、流量大，較于一般重力流輸水工程管線的而言，其自身特性更為復(fù)雜。輸水過程中更易發(fā)生爆管等事故，嚴(yán)重時(shí)可能危及人民生命，造成無法預(yù)計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失和不良社會(huì)影響。因而長距離大口徑多起伏重力流輸水管線的水錘防護(hù)對(duì)長距離輸水管線運(yùn)行安全是非常重要的研究方向之一。

文章以國內(nèi)某輸水工程為例，在建立水力過渡過程模型基礎(chǔ)上，依次對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間、增加不同水錘防護(hù)設(shè)備方案進(jìn)行模擬，選擇相對(duì)合適的水錘防護(hù)方案。

1 水錘綜述

1.1 水錘成因

密閉的輸水管道內(nèi)流速變化劇烈，從而使急劇變化的壓力波動(dòng)產(chǎn)生水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象或水擊。也是一種流體水力瞬時(shí)變化過程及非穩(wěn)定狀態(tài)，即流體運(yùn)動(dòng)中任一點(diǎn)處的包含流速、加速度，壓強(qiáng)及密度等一切動(dòng)態(tài)因素，可隨空間和時(shí)間發(fā)生變化[4]。它的邊界條件一般包括水泵或閥門等附件的特點(diǎn)、管道布置特點(diǎn)、管材、水池水位的高低變化等。發(fā)生水錘的原因可分為啟泵水錘、停泵水錘和關(guān)閥水錘三種。文章是針對(duì)其中的關(guān)閥水錘進(jìn)行研究分析。

1.2 水錘的危害

在長距離輸水工程中，因中途突然停止運(yùn)行引發(fā)的水錘現(xiàn)象較為普遍，可能導(dǎo)致管道中的壓力瞬間急速增加，甚至達(dá)到平時(shí)工作壓力的幾倍，其升壓值有大概率會(huì)引起管道破裂，嚴(yán)重時(shí)使整個(gè)管道癱瘓的情況，無法滿足正常供水[5]。

2 技術(shù)路線

文章在建立水力過渡過程模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行水錘防護(hù)模擬步驟如下：

水錘防護(hù)模擬技術(shù)路線，見圖1。

圖1 水錘防護(hù)模擬技術(shù)路線

3 水力過渡過程模型建立

長距離重力流輸水管線水力過渡過程建模過程中需要明確水池、閥門、防護(hù)設(shè)備等邊界條件，具體如下：

3.1 水池邊界條件

水池的邊界為輸水管道與水池的連接位置。這里將水位作為恒定值，假設(shè)水池水位為HR，則管道上游節(jié)點(diǎn)1水頭為HP1=HR[6]。

HP1=HR+△Hsinωt

(1)

式中：△H為波動(dòng)幅度；ωt為相位。

在HP1確定后，計(jì)算結(jié)點(diǎn)流量，計(jì)算公式為：

(2)

3.2 單向調(diào)壓塔

在輸水管道中的峰點(diǎn)、駝峰處及魚背點(diǎn)等處常出現(xiàn)負(fù)壓和水柱分離的情況，一般情況下可以通過設(shè)置單向調(diào)壓塔解決此類問題。在泵的日常運(yùn)行工作中單向調(diào)壓塔與一般雙向調(diào)壓塔的差別在于，塔內(nèi)的設(shè)計(jì)水位線無需達(dá)到水力梯度線[7]，因此其設(shè)置高度更為靈活。

調(diào)壓塔流量：

Qp1+Qp3=Qp2

(3)

式中：Qp1為調(diào)壓塔前的管內(nèi)流入流量，m3/s；Qp2為調(diào)壓塔后的管內(nèi)流出流量，m3/s；Qp3為流出調(diào)壓塔的流量，m3/s。

流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量見下式：

(4)

式中：Ca為調(diào)壓塔出口流量系數(shù)；Ap為補(bǔ)水管過流面積，m2；Hp3為調(diào)壓塔的水位，m；Hp為管中壓力，m。

流出調(diào)壓塔流量：

(5)

式中：Smax為調(diào)壓塔內(nèi)的浮球閥可控(常數(shù))最高水位，m；Z為塔的水平面高度，m；Q3為塔內(nèi)水體的流量，m3/s；Δt為調(diào)壓塔水體出流時(shí)間，s；F為調(diào)壓塔的截面面積，m2；

當(dāng)Hp3≤Hp，Qp3=0時(shí)：

Qp1=(-Hp+Cpt)/B1

(6)

Qp2=(Hp+Cm2)/B2

(7)

3.3 雙向調(diào)壓塔

一般情況下，雙向調(diào)壓塔的高度要大于輸水管道水力梯度線，其體積能夠囊括水柱分離后的空腔容量。

當(dāng)輸水管線為正壓時(shí)，其內(nèi)部液體流入塔內(nèi)的流量為：

(8)

當(dāng)輸水管線為負(fù)壓時(shí)，從調(diào)壓塔流出的液體反方向流量為：

(9)

式中：H0調(diào)壓塔內(nèi)本身具有的水深；HP因泄流或注入后在調(diào)壓塔內(nèi)的水深；QP流入管道中水體流入調(diào)壓塔內(nèi)的流量；QP流出從調(diào)壓塔內(nèi)流入管道的水體流量[8]。

3.4 調(diào)流調(diào)壓閥

調(diào)流調(diào)壓閥包含活塞式和多噴孔式等多種形式，也被稱為調(diào)流閥。其具有水位控制、保壓釋壓控制、減壓控制、流量控制等功能，能夠起到無氣蝕、無振動(dòng)、無紊流、防泥沙阻力等作用。在大型輸水工程中被頻繁應(yīng)用，其中用于重力流長距離輸水工程的頻率較高。

調(diào)流調(diào)壓閥在穩(wěn)定流量條件下，通過出口閥門流量Qp的計(jì)算式為[9]：

(10)

式中：τ為閥門開度的非線性函數(shù)；Cd為閥門全開時(shí)的流量系數(shù)；Ag為閥門全開時(shí)誰同意流過的面積，m2；△Hp為閥門的水頭損失，m。

3.5 超壓泄壓閥

若管道因關(guān)閉閘閥而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，則可以通過在閘閥后安裝進(jìn)氣閥減小出現(xiàn)的負(fù)壓。也可將超壓泄壓閥(又稱安全閥)安裝在閘閥之前，與閥后安裝進(jìn)氣閥的效果相同。它的工作原理是在閥門關(guān)閉或延時(shí)開啟的情況下，減緩上游管道的流速變化，且通過開度產(chǎn)生減壓效果，中和管道內(nèi)因關(guān)閥產(chǎn)生的增壓，達(dá)到消減水錘壓力的作用[10]。

結(jié)點(diǎn)水頭平衡方程：

(11)

式中：ξ為閥門阻力參數(shù)；S2為管道特征常數(shù)。

泄壓閥泄流量：

QS=CS△H0.5

(12)

節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)方程：

QP1-QS=QP2

(13)

式中：CS為泄水系統(tǒng)流量系數(shù)；△H為泄壓閥前主管水壓力與泄壓管出口壓力的差值，m。

輸水管道中，應(yīng)先將泄壓閥完全開啟，避免關(guān)閉閥門時(shí)壓力升至巔峰狀態(tài)。由于水錘壓力巔峰值通常出現(xiàn)在全關(guān)閥門前，因而可以勻速開啟管道閥門并將開啟時(shí)間控制在主管閥門關(guān)閉所需的時(shí)間內(nèi)。需要特別注意的是需要通過閥門安全開度下的最小安全流量確定出水管與泄壓閥的口徑，以控制關(guān)閉閥門時(shí)產(chǎn)生的水錘。上述安全開度是指安裝泄壓閥前的閥門開度，在此安全開度的條件下主管道的閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力不應(yīng)大于管道靜水壓力。

根據(jù)超壓泄壓閥(安全閥)的工作原理可知，管道最高承壓值即為超壓泄壓閥出口壓力設(shè)定值HMi，當(dāng)瞬時(shí)壓力超過泄壓值，即HPi≥HMi，開始泄壓。節(jié)點(diǎn)流量QPi為流入該點(diǎn)的Qi[11]。

4 水力過渡過程模型求解

目前，計(jì)算水錘的方法有很多，為了解決輸水管道的水錘問題，需要選擇合適的方法，以達(dá)到提高計(jì)算精度的目的。本研究采用特征線法進(jìn)行模型求解，壓力不穩(wěn)定流的基本方程是偏微分方程，特征線法則是將線性組合的偏微分方程(即運(yùn)動(dòng)方程或連續(xù)性方程) 轉(zhuǎn)變成特殊的全微分方程，再通過一階有限差分求出解。

上述利用有限差分法求解是克服積分問題的有效方法之一，因而通過差分形式的特征方程運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)各管段均勻時(shí)間步長的矩形網(wǎng)格方法進(jìn)行求解[12]。

特征線法優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)穩(wěn)定性準(zhǔn)則解決邊界條件，其邊界條件編程難度相對(duì)較小，有處理非常復(fù)雜系統(tǒng)的能力，能夠達(dá)到現(xiàn)有差分法中的最佳精度，其計(jì)算結(jié)果全部可通過表格呈現(xiàn)。

特征水錘計(jì)算的差分方程為式(14)至式(17)。

QT=CT-CaHT

(14)

QT=Cn+CaHT

(15)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(16)

Cn=QL2-CaHL2-CfQL2|QL2|

(17)

5 水錘防護(hù)優(yōu)化方案-工程實(shí)例

5.1 工程簡介

首先收集工程實(shí)例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括管線縱斷數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)水量、水池水位等參數(shù)，匯總工程概況如下：

某輸水工程管線長約85km，管徑為DN2800，管材主要采用涂塑鋼管和PCCP管兩種管材。首端水池最高水位912m，末端水池最低水位865m。設(shè)計(jì)流量為9m3/s。將上述收集到的數(shù)據(jù)，整理分析輸入水錘分析軟件，建立水錘分析模型。根據(jù)地形變化特點(diǎn)布置空氣閥，管線縱斷圖，見圖2。

圖2 管線縱斷圖

5.2 水錘防護(hù)壓力限值制定

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》CECS193-2005，制定水錘防護(hù)壓力限值，規(guī)程中規(guī)定“水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力≤1.3-1.5倍的最大工作壓力”。負(fù)壓下限為+2m，即不允許出現(xiàn)負(fù)壓。

5.3 穩(wěn)態(tài)分析

首先進(jìn)行靜壓分析，而后在管線的運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，對(duì)管線的承壓能力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。按上述步驟對(duì)模型模擬分析可知，工程全線靜壓均包含在設(shè)計(jì)承壓范圍內(nèi)，滿足管道承壓能力要求。管線靜壓圖，見圖3。

圖3 管線靜壓圖

工程正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)輸水管線穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，管線穩(wěn)態(tài)壓力分布圖，見圖4。

圖4 管線穩(wěn)態(tài)壓力分布圖

分析表明：在管線的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，全線的自由水頭小于管線的設(shè)計(jì)承壓能力。當(dāng)流量較小的情況下，管線工作壓力較高，其靜壓為極限工作壓力，圖3中顯示管線的靜壓在管線的設(shè)計(jì)承壓能力范圍內(nèi)，則設(shè)計(jì)承壓能力滿足要求。

5.4 水錘防護(hù)方案制定

結(jié)合本工程實(shí)例特點(diǎn)，對(duì)輸水管線進(jìn)行關(guān)閥水錘模擬計(jì)算，以確定安全關(guān)閥時(shí)間及相應(yīng)水錘防護(hù)設(shè)備，現(xiàn)提出以下4種方案。水錘防護(hù)方案，見表1。

表1 水錘防護(hù)方案

由于本工程實(shí)例屬于大型輸水工程，所以對(duì)于工程運(yùn)行安全防護(hù)要求較高，負(fù)壓下限取+2m，無負(fù)壓。

6 瞬態(tài)模擬

根據(jù)指定的水錘防護(hù)方案進(jìn)行關(guān)閥水錘模擬，分析如下：

6.1 方案1：多時(shí)間末端關(guān)閥模擬

本方案對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算，方案1水錘壓力包絡(luò)線計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2 方案一水錘壓力包絡(luò)線計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)管線末端控制閥關(guān)閉時(shí)間設(shè)為600s、1200s、1800s時(shí)，管線末端控制閥的閥前壓力波動(dòng)劇烈，部分管線的最大壓力超過了管道的設(shè)計(jì)承壓和正壓上限，無法滿足水錘防護(hù)要求；當(dāng)管線末端的關(guān)閥時(shí)間延長至2400s時(shí)，末端控制閥的閥前壓力衰減明顯，管線提升的最大壓力沒有超出正壓上限，最小壓力+2m以上，滿足規(guī)范要求?？梢哉f明的是管線末端關(guān)閥的時(shí)間與所引起的壓力波動(dòng)成反比。因此，方案一建議的安全關(guān)閥時(shí)間最小為2400s。上述不同關(guān)閥時(shí)間計(jì)算，末端不同關(guān)閥時(shí)間最大水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比，見圖5；末端不同關(guān)閥時(shí)間最小水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比，見圖6。

圖5 末端不同關(guān)閥時(shí)間最大水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比

圖6 末端不同關(guān)閥時(shí)間最小水錘壓力包絡(luò)線對(duì)比

6.2 方案2：單向調(diào)壓塔+超壓泄壓閥

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加單向調(diào)壓塔和超壓泄壓閥進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)110+800處設(shè)置超壓泄壓閥，泄壓閥口徑DN600，泄壓值80m，泄水量模擬結(jié)果為14580m3。

2)在樁號(hào)122+400處設(shè)置1個(gè)單向調(diào)壓塔，最低水位850m，設(shè)計(jì)水位855m，最高水位860m，塔直徑1.4m，連接管口徑DN1200泄壓口徑DN1000，泄壓值75m，泄水量模擬結(jié)果為690m3。

3)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為118m，最小水錘壓力為2.3m，方案2水錘壓力包絡(luò)線，見圖7。

圖7 方案2水錘壓力包絡(luò)線

6.3 方案3：超壓泄壓閥

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加超壓泄壓閥進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)110+800處設(shè)置泄壓閥，泄壓閥口徑DN600，泄壓值80m，泄水量模擬結(jié)果為14580m3。

2)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為136m，最小水錘壓力為-0.8m，方案3水錘壓力包絡(luò)線，見圖8。

圖8 方案3水錘壓力包絡(luò)線

6.4 方案4：雙向調(diào)壓塔

本方案主要是結(jié)合末端關(guān)閥，并增加雙向調(diào)壓塔進(jìn)行水錘模擬計(jì)算。方案具體如下：

1)在樁號(hào)122+400處設(shè)置1個(gè)雙向調(diào)壓塔，最低水位850m，設(shè)計(jì)水位876m，最高水位950 m，塔直徑3m，連接管口徑DN2600。

2)管線末端閥門600s線性關(guān)閥。

本方案下主要的水錘分析結(jié)果，最大水錘壓力為140m，最小水錘壓力為-0.7m。方案4水錘壓力包絡(luò)線，見圖9。

圖9 方案4水錘壓力包絡(luò)線

7 水錘防護(hù)方案優(yōu)選

7.1 各方案水錘計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)本工程實(shí)例各方案進(jìn)行分析研究，分析結(jié)論如下：由于工程末端水池容積有限，關(guān)閥時(shí)間不得超過600s，因此以輸水管線關(guān)閥時(shí)間600s的水錘計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，方案1中末端關(guān)閥時(shí)間600s時(shí)不滿足水錘防護(hù)要求，因此在末端關(guān)閥時(shí)間600s基礎(chǔ)上增加單向調(diào)壓塔和超壓泄壓閥(即方案2)、超壓泄壓閥(即方案3)、雙向調(diào)壓塔(即方案4)進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算分析，其中方案3、方案4的最小水錘壓力都超出負(fù)壓下限+2m，無法滿足水錘防護(hù)要求。方案2的計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范要求，因此建議采用方案2。

7.2 方案優(yōu)選

根據(jù)上述水錘方案計(jì)算結(jié)果分析可知，僅方案2滿足規(guī)范和工程要求。該方案主要優(yōu)點(diǎn)在于：可有效縮短關(guān)閥時(shí)間；單向調(diào)壓塔內(nèi)部安裝的單向止回閥有防止水體回流的作用，對(duì)安裝高度要求較低，因此也被稱做低位調(diào)壓塔；內(nèi)部的水箱容積僅需達(dá)到水柱分離點(diǎn)處的最大空腔水體容量即可，所以能夠在降低工程施工難度的同時(shí)節(jié)約成本；方案2中的超壓泄壓閥可根據(jù)工程不同工況的需要現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可為滿足快速泄壓消除水錘進(jìn)行快開慢關(guān)，能夠有效避免閥門關(guān)閉過程中二次水錘的發(fā)生，防止高壓或壓力突變損壞管道及設(shè)備。

8 結(jié) 語

本工程是以某大口徑多起伏長距離重力輸水工程為例，在建立水力過渡過程模型基礎(chǔ)上，依次對(duì)不同關(guān)閥時(shí)間、增加不同水錘防護(hù)設(shè)備方案進(jìn)行模擬，從技術(shù)、運(yùn)行、是否滿足規(guī)范等多角度選擇相對(duì)合適的水錘防護(hù)方案。從而有效避免輸水管線運(yùn)行時(shí)因水錘引發(fā)的管裂或爆管等事故，減少經(jīng)濟(jì)損失。