摘 要:在供水工程中,當突然啟動、停止或為調節流量而起用閥門時所產生的水錘壓力往往較大,破壞性強,常造成意外損失。因此,對關閥水錘進行正確的計算分析,做出必要的防護措施尤為重要。本文以張峰水庫輸水二干管線工程為工程背景,進行重力流的水力過渡過程數值模擬,并對計算結果做出分析。

　　關鍵詞:重力流;關閥水錘;調流調壓閥

 

　　

 

　　由于壓力管路中流速的突然變化,引起管中水流壓力急劇上升或降低的現象稱為水錘或水擊。水流是具有慣性的,在供水工程中,當突然啟動、停止或為調節流量而起用閥門,都將使水流速度發生變化而產生慣性力,慣性力的大小等于水流質量m與加速度的乘積,方向與加速度方向相反。在出水管路中,這個慣性力就表現為水錘壓力。突然啟動、停止或為調節流量而起用閥門所產生的水錘壓力往往較大,一般可達正常壓力的1.5～4倍或更大,破壞性強,常造成意外損失。所以對關閥水錘必須進行認真分析,并做出較精確的計算,以便采取必要的防護措施。

 

　　重力流水錘是在突然停電或者在閥門關閉太快時,由于壓力水流的慣性,產生水流沖擊波,就像錘子敲打一樣,所以叫水錘。水流沖擊波來回震蕩產生的力,有時會很大,從而破壞閥門。當打開的閥門突然關閉,水流對閥門及管壁,主要是閥門會產生一個壓力,由于管壁光滑,后續水流在慣性的作用下,壓力迅速達到最大,并產生破壞作用,這就是水力學當中的“水錘效應”,也就是正水錘。在長距離供水工程中必須考慮這一因素。相反,關閉的閥門在突然打開后,也會產生水錘,叫負水錘,也有一定的破壞力,但沒有前者大。水錘效應具有很強的破壞作用,可導致管子的破裂或瘡陷、損壞閥門和緊固件,為了消除水錘效應的嚴重后果,在管路中需要設置一系列緩沖措施和設備。

 

　　通過計算機數值計算方法來模擬各種工況條件下輸水管路系統的水錘狀況,包括壓力、流量等,進而分析超常水錘壓力可能出現的情況,校核閥門和壓力管路的承受壓力,針對計算分析結果采用必要的水錘防護措施,尋求閥門的最優關閉規律,來確保整個供水工程的安全運行,為供水工程的安全運行和供水工程的優化設計提供技術依據,因此意義重大。

 

 

　　1.1 水錘基本方程

 

　　水錘基本特性方程包括運動方程和連續性方程1

 

　　(1)運動方程:式中:v、H:分別為產生水錘時管中的流速和測壓管水頭;

　　 f、D、g:分別為管道摩阻系數、管徑、重力加速度;

　　 x、t:分別為水錘波傳播的距離、時間。

　　(2)連續性方程:

　　1.2 水錘特征線方程及其解法

　　根據流量和流速的關系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,經推導得水錘基本方程的另一種形式:

　　從公式(5)、(6)、(7)的對比中可以看出,如果令C2=dx/dt,則式(5)中前一括號內可寫成dQ/dt,如令1/=dx/dt,則后一括號內的值可寫成dx/dt,即令:

　　AP和BP直線,并交于P點。

　　如果把式(10)寫成下列形式:dx=±C•dt

　　則dx是表示在dt時段內水錘波面以波速C沿管路移動的距離,例如,在t0時,管路A處生產或傳出一正水錘波+C,在t0+t時移動了x距離而到達P點(即對應+1/C線上的P點),如下圖所示:

　　同理在管路B點生產或傳出一反向水錘波-C,在t0+t時也到達P點。所以我們把這種斜率為±1/C的直線分別稱之為正水錘特征線和負水錘特征線,它們實質上反映了水錘波的傳播過程,把+1/C值分別帶入公式(9)和(10)中。

　　兩組方程式說明:式(11)是(12)成立的條件;而式(13)是式(14)成立的條件,即對正特征線方程式(12)成立,對負特征線方程式(14)成立。由此可見,特征線即反映了水錘波面沿管路傳播過程,也確定了管路中流量和水頭的關系。1.3 重力流水錘波速的計算

　　本段重力流采用玻璃鋼管,管徑DN800 mm,計算可得水錘波波速c=929.49 m/s。

 

　　2.1 張峰水庫二干管線計算主要技術資料

　　2.1.1 張峰水庫輸水工程簡介

　　張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮張峰村沁河干流上,距晉城市城區90 km,水庫總庫容3.94億m3,是以城市生活和工業供水、農村人畜飲水為主,兼顧防洪、發電等綜合利用的大(2)型水庫樞紐工程。

　　2.1.2 二干重力流段供水工程簡介

　　(1)工程規模:二干起點為總干末端調蓄水池,輸水線路全長18.28 km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區工業用水,設計流量1.11 m3/s,管道及其建筑物的級別為3級,采用20年一遇洪水設計、50年一遇洪水校核。

　　(2)重力流工程組成;二干起點為總干末端調蓄水池,向正南方向在唐莊西約1 km處穿S331公路,經北陳、窯則頭(在樁號R4+249穿鐵路,在樁號R6+777處穿過許河)在樁號R9+350到達界牌嶺,然后向南(在樁號R10+216.69穿S227公路,在樁號R10+567.22穿鐵路)經莒山煤礦、雙王莊、南莊、東、西板橋村至渠頭村西南側的二干末端蓄水池。輸水線路全長約18.1km(總干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地區工業用水,設計流量1.11 m3/s。重力流系統布置圖見圖2,供水管道采用玻璃鋼管,管徑DN800 mm,糙率率選用0.009。供水管道水錘計算的基本資料見表1。

　　總干末端調蓄水池水位(920.5 m)～二干末端蓄水池水位771.0 m,其中的管道長度18.1km,管道采用DN800 mm玻璃鋼管,該區段靜水頭為149.5 m,設計流量Q=1.11 m3/s。

　　重力流最終的削能減壓措施為網孔套筒式減壓閥。

　　2.1.3 本研究的主要內容及工況

　　計算流量為設計流量Q=1.11 m3/s,摩阻系數分別取f=0.0089、f=0.0090、f=0.0095計算。本課題研究的主要水力過渡過程的數值模擬即:閥前輸水管道壓力控制在1.3倍的工作壓力以下,確定套筒閥閥的關閉規律;模擬計算分析壓力管線的壓力分布情況。

　　2.2 張峰水庫二干管線重力流水錘計算機數值模擬結果分析

　　本研究在設計流量工況、不同摩阻系數、調流調壓閥不同關閥規律(時間)條件下,根據重力流供水工程水錘計算的有關技術要求,模擬計算整個供水系統的水錘壓力。在本工程重力流的相關技術資料已經提出的基礎上,通過模擬計算提供重力流最大水錘壓力分布狀況,提供最大水錘壓力的包絡線及對應的時間過程,校核該供水工程的設計方案的合理性。

　2.2.1 模擬計算的工況優化和計算結果分析

　　管材為玻璃鋼管,管徑DN=800 mm,水擊波速c0=929.49m3/s,設計流量Q設=1.11 m3/s,分20段計算。靜水頭H0=149.5 m,計算中取摩阻系數f=0.0089、f=0.0090和f=0.0095,分別在調流調壓閥不同關閥規律(時間)和不同摩阻系數下計算關閥時間分別為200 s、350 s、400 s時的關閥水錘壓力特征值。

　　為避免閥門使用中出現震動和超常的噪聲,閥門的最小進口水頭與閥門最大出口水頭之差控制在規范運行的條件下,在供水系統穩態運行研究的基礎上,以關閥指數不同進行模擬計算的工況優化,通過模擬計算提供重力流最大水錘壓力分布狀況,提供最大水錘壓力的包絡線及對應的時間過程,校核該供水工程的設計方案的合理性,計算結果見表2。

　　鑒于以上計算結果,現列出設計流量Q設=1.11 m3/s,摩阻為0.0 095、關閥指數為1、關閥時間為400時的個參數關系圖:

　　分析本段重力流的計算結果,關閥指數為2時,各個摩阻系數計算下的最大壓力值均超過穩態工況壓力的1.3倍,但均在穩態工況壓力的1.5倍范圍內。其他工況下計算的最大壓力均在穩態工況壓力的1.3倍以內。計算中關閥時間小于200 s時,最大壓力均超出穩態工況壓力的1.5倍范圍,因此關閥時間設置在350以上。計算關閥時間超出400 s后,最大壓力值變幅較小,結果表明關閥時間在400 s以內即可滿足供水系統的運行要求,因此建議關閥指數取y=1,關閥時間取350 s~400 s。在滿足供水系統安全運行的基礎上,通過上述的分析,在大量的計算方案比較研究的基礎上,建議調流調壓閥閥門開度與流阻系數滿足下列要求,調節閥特性曲線圖見圖6,建議調節閥特性數據表見表3。在上圖和上表中,y表示調節閥開度相對值,當y=0.0時,表示閥門全關;當y=1.0,表示閥門全開。表示閥門局部阻力系數。

　　2.2.2 模擬計算結果分析

　　(1)從調流調壓閥防護下的水錘模擬計算的壓力管路最大壓力的分布結果可以看出,該閥作為壓力管路的主要安全防護手段,效果較好.但該閥門在供水工程的運行中,要經過調節閥門的合理現場調試,才能真正實現水錘的消除。

　　(2)模擬計算結果(見前面的分析)提出了調流調壓閥防護下對于該系統壓力管路安全防護的最優關閉行程;供水工程利用調流調壓閥防護下作為壓力管路的主要安全防護手段,滿足系統的水力過渡過程情況下的特殊安全要求。

　　(3)壓力管路最大及最小水錘壓力包絡情況的分析,為壓力管路的合理設計提供了技術支持。

　　(4)需要說明的是:本研究計算結果是數值模擬的,所采用的數據全部以山西省水利水電勘測設計研究院提出的數據為計算的基準。而且在壓力管路的3個區段內,設計中已經考慮了數量不同的進排氣閥,因此本研究的結論是偏于安全的。隨著供水工程工程建設完成后,調流調壓閥水力特性的確定,該系統的水錘壓力分布可進一步優化。事故水錘下的過渡過程,很大程度上取決于調流調壓閥的水力特性,因此調流調壓閥的選擇必須從制造工藝、制作質量、運行的靈活性等方面嚴格要求。

　　(5)重力流水錘的分析計算中,水柱分離及其再彌合的計算由于涉及到兩相流的問題,其物理模型與數學模型的建立都有一定的近似性,因而其計算的準確可靠性比單相流的情況稍差。有關理論研究的實驗研究表明:當系統中有明顯的凸部時,有可能在局部位置產生明顯的水柱分離,本研究系統中調流調壓閥防護下的水力過渡工程模擬結果表明:沒有水柱分離的現象發生,說明調流調壓閥防護下進行系統安全防護的方案選擇是合理的。

　　(6)重力流水錘的分析計算說明,山西省水利設計院提出的該供水系統的布置是基本合理的,建議采用調流調壓閥進行供水系統的水錘防護措施是可行的。