重力流输水管道关阀水锤仿真计算与防护

王 炜（太原市水利技术推广服务站）

1 工程概况

保德县引黄灌溉工程位于山西省保德县黄河左岸，从天桥水电厂水利枢纽左坝段取水。天桥电站水利枢纽位于黄河中游，距保德县城8 km，左岸为山西省保德县，右岸为陕西省府谷县。天桥水利枢纽由拦河坝、河床式电站、泄流底孔、表孔、排沙洞、下游消能设施、开关站等组成，水库总库容0.70亿m3，电站总装机容量为29.80 万kW（除险加固后），工程为Ⅲ等工程，工程规模为中型。引黄灌溉工程取水口为枢纽的主要建筑物，建筑物级别同电站厂房和泄水建筑物，为3 级建筑物。引黄灌溉工程从天桥水利枢纽左岸坝段取水，到花园止，由引水线路、提水泵站以及灌区配套工程三部分组成。引水线路全长20.66 km，主要沿黄河左岸布设，其中隧洞0.80 km（洞内布设管线），管材为压力钢管。花园提水灌溉一、二级泵站均建设在沿黄左岸，泵站站址一级泵站建在黄河河漫滩上。

2 重力流输水管道关阀水锤仿真计算

2.1 引水管线重力流水锤计算工况及参数确定

自流部分由于沿管线流量一直变化，考虑到计算机仿真计算及未来系统运行的水力调度及自动化控制，供水管道水锤计算参数工况详见表1。

表1 供水管道水锤计算工况及参数表

2.2 流量Q1=0.34 m3/s，引水阀关闭水锤仿真计算

重力流当流量Q1=0.34 m3/s 时引水阀关闭水锤计算机仿真计算成果见表2。

表2 重力流流量Q1=0.34 m3/s的引水阀关闭水锤计算机仿真计算成果表

以上计算结果，重力流当流量Q1=0.34 m3/s 时，关阀指数为1 的各个工况条件下计算出的最大压力均未超过稳态工况压力的1.50 倍（13.05 m），偏于安全，关阀指数为1.50 时，关阀时间为150 s时最大压力略大于稳态压力的1.50倍，关阀时间为180 s、200 s、250 s时均未超过。现列出设计流量Q1=0.34 m3/s，摩租为0.19×10-1、关阀指数为1、关阀时间为250 s 时的各参数关系见图1～3。

图1 各时刻阀前断面流量图

图2 各时刻阀前断面压力图

图3 最大、最小压力包络线图

2.3 流量Q2=0.75 m3/s，引水阀关闭水锤仿真计算

重力流流量Q2=0.75 m3/s时引水阀关闭水锤计算机仿真计算成果见表3。

以上计算结果，重力流当流量Q2=0.75 m3/s 时，各个工况条件下计算出的最大压力均未超过稳态工况压力的1.50 倍（13.05 m），但最小压力偏小，管路中存在负压。现列出最大流量Q2=0.75 m3/s 时，摩阻为0.19×10-1、关阀指数为1、关阀时间为330 s时的各参数关系见图4～6。

图4 各时刻阀前断面流量图

图5 各时刻阀前断面压力图

图6 最大、最小压力包络线图

2.4 仿真计算结果

当重力流当流量Q1=0.34 m3/s，摩阻系数为0.19×10-1时，关阀指数为1 的各个工况条件下计算出的最大压力均未超过稳态工况压力的1.50倍，偏于安全，关阀指数为1.50时，关阀时间为150 s时最大压力略大于稳态压力的1.50倍，关阀时间为180s、200 s、250 s时均未超过。建议在Q1=0.34 m3/s下，摩阻系数取0.19×10-1、关阀指数取1、关阀时间取250 s左右即可满足要求。

表3 流量Q2=0.75 m3/s引水阀关闭水锤计算机仿真计算成果表

当重力流当流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系数为0.19×10-1时，各个工况条件下计算出的最大压力均未超过稳态工况压力的1.50倍，但最小压力偏小，管路中存在负压，不满足计算要求。

3 重力流输水管道关阀水锤防护

3.1 关阀水锤防护方案

依据设计方案，利用进排气阀进行系统的安全防护。考虑到本工程的实际情况，按照规范要求，建议在重力流当流量Q2=0.75 m3/s管线中加10个型号为DN100进排气阀，具体位置编号见表4。

表4 第三段进排气阀成果表

添加进排气阀后的最小压力值在各个计算工况条件下均可满足要求。因此建议在系统最不利工作环境下，即：重力流当流量Q2=0.75 m3/s，摩阻系数取0.19×10-1、关阀指数取1，引水阀的关阀时间取330 s左右即可满足要求。

3.2 泵站管道水力过渡过程仿真计算

在泵出口阀门拒动作（阀门不关闭）工况、泵出口蝶阀优化关闭工况、泵出口蝶阀加排气阀联合防护工况四种工况下对管道水锤压力进行分析计算，由于工程设计中根据管道压力分别布置了不同压力等级的管道，对各管段内可能出现的最大压力进行复核计算，计算机仿真计算结果见表5。

结果表明，泵站工程压力管线设计中采用了一定数量的进排气阀，在很大程度上可以对压力管路的安全起到防护作用，模拟计算说明由于进排气阀的进气和排气作用，整个供水泵站工程在允许的压力范围内可以安全运行。花园一级泵站在桩号为0+452.0、0+791.0、1+130.0、1+695.0、2+034.0位置装设5个口径为150mm的进排气阀后，管路压力符合安全规定，泵站可以安全运行。花园二级泵站在桩号为3+487.07、4+305.14、5+123.2位置装设3个口径为150 mm的进排气阀后，管路中负压仍然偏大，为保证供水系统安全运行，建议花园二级站机组的转动惯量至少应保证2.50 kg/m2，经模拟计算在此转动惯量下管路的负压可以降至-6.10 m，另外在管路起伏较大点再装一个口径为100 mm进排气阀。

但当事故停泵阀门发生拒动作时，花园一级和二级泵站所有机组将发生高速倒转，会对机组造成严重损害。机组从失电停泵到机组开始倒转时间难以及时手动关闭蝶阀。为此，设计单位提出了采用蝶阀的技术方案，蝶阀在优化关闭程序后可以有效防止供水机组的倒转现象，使水泵的倒泄流量减小，在一定程度上可以减小供水系统的水锤压力，从系统安全运行、水锤防护的设备制造及模拟计算的结果综合考量，说明供水系统选用蝶阀防护的方案是可行的、合理的。

表5 泵站过渡过程最大压力计算结果表（4台同型号泵并联、5个进排气阀）

计算机仿真计算提出了保德县引黄灌溉工程泵站工程重力流输水管道压力管线设计中应采用的排气阀的建议数量和安装位置，但必须和与之配套的蝶阀联合防护，才能有效的消除系统运行中的水锤现象，因此排气阀及蝶阀的设备选型是非常重要的。

需要说明的是，蝶阀的技术方案在有效保护机组的同时也造成了压力管路局部的压力升高。另外在模拟计算压力管路系统的输水中，由于花园一级和二级泵站工程的机组转动惯量较以往使用的机组转动惯量小10倍之多，水锤负压力较大，因此必须研究加强水柱分离的防护措施。

4 结论

综上所述，文章在不同流量、不同摩阻系数及引水阀不同关阀规律条件下，根据保德县引黄灌溉工程重力流供水工程水锤计算的有关技术要求，进行了各区段的水锤压力计算机仿真计算。在工程9+800～19+440 段重力流的相关技术资料已经提出的基础上，通过计算机仿真计算提供重力流压力分布状况，即最大水锤压力上升值、最低压力值，提供水锤压力的包络线，最大、最小压力及对应的时间过程，在校核该供水工程的设计方案的合理性的基础上，提出不同流量、不同摩阻系数及引水阀不同关阀规律条件下重力流供水的运行模式，为该工程全线自动化的控制提供技术支持。