长距离调水工程重力流水锤预防措施的探析--中国期刊网

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长距离调水工程重力流水锤预防措施的探析

发表时间：2020/11/19 来源：《基层建设》2020年第22期作者：陈琪侯梦琪

[导读] 摘要：复杂输水管线系统往往依附地形敷设，具有地形多起伏、局部凹凸点多、水力过渡过程复杂等特点。

        中水北方勘测设计研究有限责任公司天津市河西区 300222
        摘要：复杂输水管线系统往往依附地形敷设，具有地形多起伏、局部凹凸点多、水力过渡过程复杂等特点。常常会出现由于规划设计考虑不周全或进行违规操作，发生水锤事故，导致输水管道、阀体等设备遭受破坏，严重时发生泵房淹没、供水被迫中断等严重民生事故。本文采用理论分析、数值计算相结合的手段，以防护开、关阀水锤为研究目标，模拟不同工况输水管路系统水力瞬变过程。依托某调水工程实际情况，基于水力动力学理论进行仿真计算，提供不同的水锤防护方案，确保供水安全运行。
        关键词：长距离调水工程；开、关阀；仿真计算；水锤防护措施；供水安全
        引言
        长距离调水工程重力流输水管道工程中，伴随着阀门启闭，管内水体的流速会迅速改变，并伴随着强烈的震动和冲击声，引起一系列管道内水压力的往复剧烈改变的水力撞击现象。长距离引水系统中流体特性短期内快速变化可称为水锤现象。长距离重力有压输水中管线的起伏变化、输水运行过程中的开关阀、流量调节、充水和放空、设备失灵、人为操作失误、气体或液体的突然释放（降压）、地震、海啸等工况均有可能引起水锤危害，因此水锤防护研究成为供水工程的关键。
        1工程概况
        某工程是以县城供水为主的综合利用水利工程，采用水库后有压隧洞接埋管输水方式，供水设计流量0.596m³/s。隧洞为圆形有压洞，直径2.0m，长6.38 km。隧洞出口设置压力分水叉管连接至城东、城西水厂供水管线。城西水厂管线经分水后，管线长度7.025km，设计流量0.298m³/s，其中城东水厂管线经压力叉管分水后，管线长度8.155km，设计流量0.298m³/s。沿线检修阀主要用做管线事故分段检修，末端调流调压阀主要用做全线流量调节和控制出口水压力。各支线正常情况下，双阀同时运行，两阀合计通过设计流量，并互为检修用途。
        管线布置如下：

        2重力流稳态工况计算分析
        重力流稳态工况计算的内容包括各种稳定运行工况条件下的沿管线水压分布的计算，其计算结果可作为进行水力过渡过程计算的初始条件，包括管道、隧洞，系统初值计算是系统稳定运行时各计算节点的水头、流量值。采用成熟的HAMMER水锤计算软件，拟定正常蓄水位组合作为设计工况进行计算。
        A1工况：上游水库水位于340.0m时，供水隧洞设计流量0.596m³/s，城西、城东支线正常供水。单管设计流量0.149m³/s。

        稳态工况压力包络线
        重力流稳态结果是评价管线布置、供水能否安全运行的因素。计算结果可以看出，整个系统稳态运行时管内正、负压力均在可控范围，管线末端富裕水头较小，证明管线布置较为经济。
        3重力流瞬态工况计算分析
        通过计算分析高落差重力流输水工程在开阀及关阀过程中的水锤特性，确认水工专业管线布置及管径大小选择的合理性。确定末端调流阀的阀门特性、口径、关闭规律等参数，推荐负压水锤防护措施并优化计算。
        a）瞬态计算工况：
        A2工况：上游水库水位于340.0m时，供水隧洞设计流量0.596m³/s，城西、城东支线正常供水。单管设计流量0.149m³/s，阀门关闭。
        A3工况：上游水库水位于340.0m时，供水隧洞设计流量0.596m³/s，城西、城东支线正常供水。单管设计流量0.149m³/s，阀门打开。
        b）开、关阀规律优化计算
        全线关阀工况是系统正常运行情况下管线最大压力的控制工况，其沿线水锤压力应控制在（1.3~1.5）倍的最大工作压力以内。全线开阀工况是系统正常运行情况下管线最小压力的控制工况，对各管段拟定30s、50s、100s、150s、200s、250s共6种阀门关闭、开启方案进行过渡过程计算，并分析其压力变化情况。

        关阀工况压力包络线
        从沿线压力包络图可以看出，末端阀门关闭速度越快，沿线升压越大。且各节点的最大压力值与其初始压力也有较大的关系，初始压力越大，关阀产生的水锤压力越大。最大压力发生位置多在管段下游局部低洼点或者调流阀前部。
        本阶段推荐100s线性关阀，各计算工况的沿线水锤压力均控制在1.3倍的最大工作压力以内。根据试算结果，阀门电动装置时间可调下，关阀时间可适当加大至300s，管线运行安全更为安全。

        开阀工况压力包络线
        开阀过程管道沿线压力大幅下降。最小压力包络线显示，阀门开启速度越快，沿线压降越大。在开阀过渡过程中，各节点的最小压力与其初始压力有很大关系，初始压力较大的点不容易出现负压。输水系统部分断面最小压力低于0.02MPa，造成管线连续负压段，无法满足过流条件。最大负压低于-8.7m，低于汽化压力，管线十分不安全。
        c）负压水锤防护措施瞬态计算
        根据全线开、关阀瞬态计算结果，提供负压开阀水锤防护方案如下：局部高点设置复合式空气阀，降低部分节点管中心高程。

        增设以上负压水锤防护措施下，阀门采用100s线性开阀规律时，正压水锤满足规范要求。
        调整管线节点布置位置、管径大小、增设调压塔等措施，均可有效降低水锤升压并且减少负压水锤危害。为减少工程投资，可通过设置空气阀负压防护措施，使得输水系统负压水锤得到明显改善，能够满足工程安全运行要求。
        结语：
        长距离输水工程中水锤的影响因素很多，往往与管内起始流量、水锤波的传递速度、阀门关闭特性、管道的布置方式等有关。为尽量减少水锤事故发生，确保工程安全，需着重注意以下几方面：
        （1）输水管线布置时，为减少管路布置的陡峭度，应尽量布置平缓管路，避免出现峰点或坡度剧变。尽量保持管线纵断面平滑上升不形成局部凸点，也可考虑先缓后陡的管线布置方式。
        （2）阀门的种类、开度不同会引起局部损失系数产生差异。优选各种类型的缓闭式止回阀或两阶段关闭阀门，延缓阀门关闭时间，，可有效避免水锤升压过高。
        （3）针对管线系统出现较大负压，水力过渡过程恶劣的情况，可采用空气阀防护、空气罐防护、单向调压塔防护等措施，能够有效减小管内负压并消除断流性弥合水锤，具有建设成本较低、工程运行可靠、方便进行安装等优点。
        （4）增大管道直径，可以有效降低管内流速，使得水流惯性常数随之减小，管道特性常数减小，从而达到消除管道负压的目的。然而增大管径会增加工程造价，管道直径的选择需要结合水锤防护进行综合考虑。通常为避免使用昂贵的水锤防护设备，可采用加大管径的方法进行替代。若加大管径与额外水锤防护装置的经济性相差不大时，可优先采取增大管径的方法，减少水锤设备检修维护的费用。
        本文采用水锤计算中通用的特征线法，针对长距离调水工程重力流输水管道开关阀的水锤运行工况，优选出最合理的水锤防护措施，为相似工程找出技术较为安全、经济相对合理的防护措施，确保输水工程安全稳定运行。
        参考文献：
        [1]王祺武，李志鹏，朱慈东，李捷.重力流输水管路阀门调节与水锤控制分析[J].流体机械，2020，48（06）：38-43+50.
        [2]王政平，贾东远，马追.长距离重力流输水工程关阀方案优化研究[J/OL].人民黄河：1-5[2020-10-30]