水錘消除措施在南水北調(diào)續(xù)建配套工程中的應(yīng)用

張大雷　汪春林　趙曉輝

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水錘消除措施在南水北調(diào)續(xù)建配套工程中的應(yīng)用

張大雷1汪春林1趙曉輝2

南水北調(diào)是一項(xiàng)國家基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性工程，通過跨流域調(diào)水，實(shí)現(xiàn)水資源合理調(diào)配，解決北方地區(qū)水資源短缺問題，促進(jìn)全國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展；南水北調(diào)續(xù)建配套工程是各省、各市連接南水北調(diào)干線工程的支線工程，將干線工程調(diào)引來的長江水、黃河水輸送至當(dāng)?shù)卣{(diào)蓄水庫或水廠，是南水北調(diào)工程效益發(fā)揮的“最后一公里”。南水北調(diào)續(xù)建配套工程通過渠道、管道調(diào)水，長度幾十、上百公里，屬于長距離輸水工程，在工程運(yùn)行過程中，水錘的產(chǎn)生和消除直接影響到工程安全，不容忽視。

一、水錘產(chǎn)生的基本原理和主要分類

水錘指在壓力管道中因流速激烈變化，在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力現(xiàn)象。水錘的產(chǎn)生造成管路中壓力的急劇增加或產(chǎn)生負(fù)壓，引起管路的破裂，甚至造成其他重大安全事故。

在壓力輸水管道的停泵、啟泵、關(guān)閥、開閥、正常運(yùn)行及流量調(diào)節(jié)中都可能產(chǎn)生水錘，從產(chǎn)生機(jī)理上主要分為停泵水錘、關(guān)閥水錘、彌合水錘和充水水錘等幾種。停泵水錘是停泵后，水泵之后管道由于沒有連續(xù)水流補(bǔ)充，造成壓力下降，產(chǎn)生水錘，水錘波向出口傳遞，到達(dá)出口后返回，返回的壓力波使水泵后管道壓力升高，壓力波若遇到止回閥等阻擋，會(huì)繼續(xù)返回，在管道中進(jìn)行阻尼震蕩。關(guān)閥水錘是指在輸水壓力管道中，閥門關(guān)閉，但水繼續(xù)流動(dòng)造成閥門前壓力急劇上升，并在管道中傳播，對(duì)閥門及周邊管道造成的壓力沖擊。彌合水錘是由于管道中水柱分離形成負(fù)壓，分離水柱重新返回撞擊，造成負(fù)壓段及其周邊管道壓力上升。充水水錘是指長距離輸水管道因地形高低起伏，在上一次輸水過程中，低洼處不可避免積存水，此次輸水水流對(duì)低洼處積水撞擊，引起周邊管路壓力升高。

二、充水水錘和關(guān)閥水錘的消除

防止充水水錘的產(chǎn)生，主要通過控制充水速度。根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)，壓力管道輸水時(shí)，充水流速宜為0.3～0.5m/s，最大不易超過1m/s。太低流速帶不走管道存氣，不利于管道排氣，也使通水時(shí)間過長；太高流速可能使管道充水速度大于排氣速度，造成氣堵，引起壓力震蕩。

防止關(guān)閥水錘的產(chǎn)生，主要通過控制閥門關(guān)閉時(shí)間，使水流速度慢慢下降，動(dòng)能逐漸減少。根據(jù)資料，在10個(gè)水錘周期內(nèi)關(guān)閉閥門，可有效降低水錘強(qiáng)度。

三、停泵水錘和彌合水錘的消除

停泵水錘和彌合水錘是長距離輸水中最容易產(chǎn)生、造成的破壞最大，是最應(yīng)該引起工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理者注意的問題。消除停泵水錘和彌合水錘，常用的方法包括在水泵出口設(shè)兩階段緩閉閥門、設(shè)調(diào)壓塔和在管道合適位置布置進(jìn)（排）氣閥門等。本文通過南水北調(diào)續(xù)建配套工程實(shí)例，說明如何消除停泵水錘和彌合水錘。

1.工程基本資料

某加壓泵站向調(diào)蓄水庫輸水，水泵5臺(tái)（4用1備），單泵流量0.30m3/s，揚(yáng)程58m，水泵轉(zhuǎn)速1480rpm，水泵和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10.839kg·m。管路全長4.2km，1+530～1+700段采用螺旋焊接鋼管，鋼管壁厚10mm；2+240～2+500段采用螺旋焊接鋼管，鋼管壁厚10mm；其他部分采用球墨鑄鐵管，壁厚為15.3mm；全段管道的耐壓等級(jí)為1.1MPa，管徑DN1200mm，管道流量1.17m3/s；進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位39.22m，出水池設(shè)計(jì)水位81.36m。

2.計(jì)算假定和相關(guān)參數(shù)

計(jì)算假定：管道壓力系統(tǒng)水流為一元流，管壁和水體為線彈性；管道進(jìn)入水池的末端出口無拍門，按淹沒出流計(jì)算，瞬變流分析過程中水池水位不變，水中不含空氣氣泡和泥沙。

相關(guān)參數(shù)：管道阻力n=0.012；1+530～1+700段水錘波速1007.82 m/s，其余段1116.77m/s。

3.水錘分析的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

水錘分析計(jì)算中將發(fā)生水柱分離之前和水柱彌合之后的水流視作連續(xù)的流體，采用特征線法進(jìn)行水錘計(jì)算，而一旦發(fā)生水柱分離，則按照水柱分離數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

（1）水錘基本方程及帶插值的特征線法

沿特征線方向水錘全微分方程：

由于每段管段的水錘波傳播速度不一致，在水錘計(jì)算過程中，為了采用相同的時(shí)間步長，需要采用帶插值的特征線法。

（2）水柱分離模型

水柱分離模型采用美國密西根大學(xué)E.B.Wylie和V.L.Streeter教授于20世紀(jì)70年代提出的模型，在計(jì)算彌合水錘壓力時(shí)考慮兩股水柱碰撞的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果較不考慮水柱分離的常規(guī)計(jì)算模型更接近實(shí)際值。根據(jù)連續(xù)性方程，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的水柱分離的體積應(yīng)為：

所產(chǎn)生的急劇壓力升高值可由下式計(jì)算：

式中：Qp為時(shí)間步長Δt內(nèi)流出計(jì)算截面的平均流量；Qpu為流入截面的平均流量。

4.水錘計(jì)算中管道參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》和《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，發(fā)生水錘時(shí)管道最大壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力，最低壓力不小于-7.0m水頭；事故停泵水泵反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)速1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2min。

圖1　水泵突然斷電、無防水錘措施條件下泵站至水庫管道沿程壓力包絡(luò)線圖

圖2　采取增設(shè)排氣閥、3s關(guān)90%60s關(guān)100%措施后泵站至水庫管道沿程壓力包絡(luò)線圖

表1　管道特征計(jì)算值表

5.水錘計(jì)算

先計(jì)算穩(wěn)定流工況下管線水壓分布，計(jì)算結(jié)果作為水力過渡過程計(jì)算初始條件；在不考慮任何防水錘措施條件下，進(jìn)行停泵水力過渡過程計(jì)算，分析水泵及管道沿線控制指標(biāo)是否超規(guī)范允許值；優(yōu)化布置防水錘措施，重新進(jìn)行停泵水力過渡過程計(jì)算，保證控制指標(biāo)不超規(guī)范允許值。

（1）恒定流工況計(jì)算分析

恒定流工況下計(jì)算泵站至調(diào)蓄水庫沿程水壓成果見圖1。通過運(yùn)算可知，恒定流工況管道能正常工作，管道壓力正常。

（2）無防水錘措施條件下計(jì)算分析

水泵突然斷電、無防水錘措施條件下，計(jì)算泵站至水庫管道沿程水錘壓力包絡(luò)線見圖1，特征計(jì)算值見表1。

從圖1和表1可以看出，水泵突然斷電、無防水錘措施工況下，最高壓力在管線承壓1.1MPa范圍內(nèi)，但管道有大范圍負(fù)壓，最低負(fù)壓-10.0m，產(chǎn)生水柱拉斷，形成彌合水錘，因此必須考慮負(fù)壓防護(hù)措施。

（3）采取防水錘措施條件下計(jì)算分析

根據(jù)沒有采取防水錘措施條件下的計(jì)算分析結(jié)果，優(yōu)化比選防水錘措施方案，具體包括：在水泵出口設(shè)置液控緩閉止回閥。閥門分兩階段關(guān)閉，第一階段關(guān)閉90%，關(guān)閉時(shí)間比選3s、5s、7s三種方案，第二階段關(guān)閉10%，關(guān)閉時(shí)間比選60s、90s、120s三種方案。通過試算，選定3s關(guān)閉90%，60s關(guān)閉100%方案，采取緩閉措施后，負(fù)壓值降至-5.0m，但未消除；最大反轉(zhuǎn)速、最大反向流量大大減少；最高壓力改變不大。管線上增加復(fù)合式排氣進(jìn)氣閥，實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)行中的排氣和補(bǔ)氣。排氣閥布置原則是，管線隆起處設(shè)、平直段不超過1km處設(shè)、負(fù)壓較大處增設(shè)。排氣進(jìn)氣口徑按管道直徑1/8～1/5取200mm。閥門位置經(jīng)水錘計(jì)算確定，沿線共設(shè)5處復(fù)合排氣進(jìn)氣閥，分別位于0+390、0+920、1+320、2+220、2+870、3+420、3+907/4+060、4+181。

空氣罐方案因投資、管理、環(huán)境等原因未考慮。對(duì)水泵出口液控緩閉時(shí)間方案與復(fù)合進(jìn)排氣閥方案組合，選定方案后水力過渡過程計(jì)算成果見圖2和表1。

從圖2和表1可以看出，采取設(shè)置緩閉閥、增設(shè)排氣閥措施后，泵站和輸水管路各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均滿足要求。

四、結(jié)語

采取上述措施的南水北調(diào)某市配套工程泵站及輸水管路已經(jīng)通過驗(yàn)收，于2015年輸水2300萬m3。從運(yùn)行情況來看，泵站及輸水管路防水錘方案合理，能夠滿足工程調(diào)水運(yùn)行各種實(shí)際工況，保證了工程輸水安全■

（作者單位：1.山東省煙臺(tái)市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局2640012.煙臺(tái)國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作集團(tuán)有限公司264001）

（專欄編輯：顧梅）