不同关阀规律与出水口形式对管路水锤的影响

莫旭颖，郑源，阚阚，张海晟，潘虹

(河海大学能源与电气学院，江苏 南京 210000)

中国水资源总量丰富，但地区分布不均衡.近些年来，中国成功建设了多个大规模引水工程，如“南水北调”工程[1-3]、“引黄济青”工程[4]、“引大入秦”工程[5]、“引滦入津”工程等[6].在引水工程中，管道容易因为事故工况被水锤压力破坏，因此管道系统过渡过程的研究对保障管道的安全和稳定性至关重要.

蒋劲等[7]对三段管段的瞬变进行研究，发现若末端阀门的位置和关闭方式不正确，会导致水泵失电后在很长的管道范围出现两相流,并出现较高的弥合压力.刘光临等[8]将特征线法应用于工程实际，对两阶段关闭蝶阀在事故停泵时的关闭过程进行了优化.XU等[9]认为实际工程中末端阀门关闭时间既不能过短，又不能过长，最佳的关阀时间应通过电算确定.KWON[10]通过仿真计算发现，城区内采取设置空气阀或调压塔等措施均有各自的缺陷，对管网本身的优化设计才是最好的水锤防护方法.

目前对于长距离输水管道过渡过程的研究较多，对于管道末端水锤的防护方法主要有：有针对性地更改管线的高程及平面布局；调节出口阀门的关闭规律；在合适位置增设空气阀或调压塔.若工程中使用这些方法后仍无法达到防护效果，或由于客观条件限制无法使用其中某些方法时，则需要使用新的思路进行管道末端水锤的防护.

文中采用特征线法对山东莱城发电厂供水管路的事故工况水力过渡过程进行模拟计算，分析不同关阀规律对管道末端水锤的影响.提出一种可以有效降低管线末端水锤压力的新型水力过渡过程友好型出水口设计，并且可以防止由于出口阀门故障或失电而产生的管道事故，研究结果有望为管道的末端水锤防护提供新的思路.

1 PIPENET水锤计算求解方法

采用PIPENET软件进行特征线方程求解，特征型方程基本控制方程[11]为

(1)

(2)

式中：HP,HA,HB分别为点P，A，B的压力；QP,QA,QB分别为点P，A，B的流量；D为管道直径；f为管道摩阻系数；g为重力加速度；a为水锤波速；A为管道过流断面面积.

P为计算时段未知节点，A，B为与P相邻的前一时段节点，系统初始为定常状态，因此节点A，B的前一时段压力、流量可求出，从而求得计算时段的节点P的压力与流速.PIPENET软件采用的是将所有节点参数假设为1个常数初值，然后通过迭代的方法，利用管道各边界特性及管路阻力特性方程对初值进行修正，得到该次步长中的各节点参数，直到迭代时参数不再有变化，迭代结束[12-14].

图1为水锤计算的特征线法.由图1可知，对于△ABP内部的节点而言，可根据C+，C-联立求解，对于边界上的节点，可由C+或C-联立节点的流量-压力的边界方程求解.特征线法的求解思路是，通过1个已知状态，用特征方程联立各节点的特性方程，求解各节点参数.停泵、关阀等扰动信息通过特征线对所有节点产生影响，空气阀等的边界方程在响应时也通过特征线传播到各节点，再返还到空气阀形成一次迭代.

图1 水锤计算的特征线法Fig.1 Characteristic line method for water hammer calculation

PIPENET的精度是通过设置每次迭代的计算步长进行控制，文中设置计算步长为0.5 s，计算结果精确到0.01 m.

2 算例分析

2.1 稳态工况计算结果

泵站含6台水泵(3用3备)，其设计扬程为90.0 m，设计流量为790.0 m3/h，水泵安装高程为207.85 m.输水管道为3条并行管线，全长约18.7 km，材质和管径为 DN600 PCCP管，管道最大承压约为1.2 MPa.管中流量为0.3 m3/s，管道沿线高程变化不大，管道起点高程为207.85 m；管段末端高程为213.65 m，首末端高程差为5.8 m.稳态过程水力线及管中心线高程如图2所示.由图可知，正常工况管线总水头损失约为30 MPa，内水压力约为10～65 MPa.

图2 稳态过程水力线Fig.2 Hydraulic line in steady state process

2.2 事故工况暂态水力计算结果

出口阀门快关时间5～15 s,慢关时间30～60 s.可控制的2阶段关阀是管线末端阀的最佳选择，在相同关阀时间内，2阶段关阀较线性关阀模式可以大幅度减小水锤升压峰值，提高输水管道运行的安全性[15].通过不断尝试确立出口阀门的最佳两段式关闭规律，选取几个比较具有代表性的关闭规律如表1所示.经瞬态计算得到各工况最大水力线如图3所示，最小水力线如图4所示.

表1 两段式关阀规律表Tab.1 Two-stage closed valve schedule

由图3可以看出，在3个工况下均在末端产生了较大的关阀水锤，工况1的最大压力小于工况2、工况3的最大压力.由图4可以看出，工况1和工况3没有出现明显负压，在最小压力上工况1较高.综上所述，工况1的关闭规律为出口阀门的最佳关闭规律.

图3 各工况最大水力线Fig.3 Maximum hydraulic line for each working condition

图4 各工况最小水力线Fig.4 Minimum hydraulic line for each working condition

以稳态工况为初始工况，泵在20 s掉电，入口阀门以5 s关闭80%，35 s关闭20%的规律关闭，出口阀门以15 s关闭75%，30 s关闭25%的规律关闭，得到如图5所示暂态水力线.图6为管道沿线压力最大点压力变化过程线.

图5 事故工况暂态水力线Fig.5 Transient hydraulic line of accident conditions

图6 管道沿线压力最大点压力变化过程线Fig.6 Process line of maximum point pressure change along pipeline

由图5可知，管线最大内水压力达到128 MPa，压力最大点位于管线末端、出口阀门附近.由图6可知，出口阀门以15 s关闭75%，30 s关闭25%的规律关闭时，2个阶段均产生了较大的关阀水锤.说明在阀门、管线已确定的情况下，存在即使选择最佳关阀规律，管线仍出现较大的末端水锤的情况，使管道安全受到一定程度的威胁.

2.3 新型出水口设计及水力过渡过程计算

该管线出水口原设计如图7a所示，其具有一般代表性.新型出水口设计如图7b所示，它去除了出口阀门，将管道出口抬升了2 m，使出水口位于蓄水池的上方，管道末端内壁上沿点A高于出水口管道与蓄水池池壁下方相交点B.在事故工况时，水锤波来回震荡的情况下，多余的水可以顺利地从新型出水口流出，负压时空气可以自由地从出水口进入管道，形成随水锤波震荡而上下波动的自由液面，不会产生水倒灌进入管道的现象，空气也可以轻易排出，不会产生负压和弥合水锤[16].

图7 原出水口设计与新型出水口设计Fig.7 Original outlet design and new outlet design

将管线出水口替换为新型出水口，在PIPENET中，将出口压力设置为0，并设置1个与管径相等的空气阀进行等效计算，计算结果如图8所示.

图8 使用新型出水口后暂态水力线Fig.8 Transient hydraulic line after using new water outlet

由图8可以看出，最大内水压力为70 m，无明显末端水锤产生，管线后半段最大内水压力下降，但与最小内水压力均一直保持大于0，使输水管线可以正常工作.最大水力线与最小水力线随着管线中心高程有明显波动，但波动均在管道承压范围之内.

对比使用原出水口时暂态计算结果，使用新型出水口后最大内水压力降低45%，使事故工况下最大内水压力小于管道最大承压120 MPa，提升了管线运行的安全性.

3 结 论

文中讨论了一种单泵单管输水管线的案例，通过对比末端阀门在不同关闭规律下管线的压力分布找到最优关闭规律，使用新型出水口进一步降低了管线最大压力.分析前后方案的水锤计算结果得到以下结论：

1) 出口阀门的关闭规律对末端水锤的影响很大，但是在管线与阀门已经确定的情况下，可能会出现即使使用最佳关闭规律，最大内水压力仍超过管道承压标准的情况.文中确定出口阀门以15 s关闭75%，30 s关闭25%的规律关闭为最佳关闭规律，在事故工况下使用该规律关闭时管线最大内水压力仍达到128 MPa，超过管道最大承压120 MPa，事故风险较大，需要使用新的方法进行防护.

2) 若事故工况下不关闭出口阀门，则蓄水池水会向管道内倒灌，导致管道内情况变得复杂，产生较大水锤压力且影响下游用水，在重新启泵后易产生弥合水锤.

3) 新型出水口设计可以有效防止事故工况下的末端水锤，能防止蓄水池水倒灌，而且可以排除出口阀门的故障可能性，给末端水锤防护提供了新的思路.但是在使用该方法时，需对出水口的高度和A，B点的位置等参数进行修正，符合工程实际，修正后的结果需要重新进行压力校核，检验其是否达到预期效果.

文中使用新型出水口后，管线事故工况下的最大内水压力由128 MPa降至70 MPa，远小于管道最大承压，防护效果良好.