大型泵站叠压输水水锤防护研究

2012-07-15韩建军张旭峰陈红刚

水利建设与管理 2012年1期

韩建军张旭峰陈红刚

(大连市供水有限公司 116021)

我国由于水资源空间分布的不平衡以及区域用水量的差异，一些城市或者地区不得不从外地调水，许多长距离输水工程已经投入应用，并且更多的长距离输水工程正在或即将建设，其中采用管线的输水方式因其受地形限制小、水量损耗小、水质不易受污染等优点越来越被广泛采用，各种情况的管段压力情况也在出现。在建立水锤防护设备模型的基础上，本研究结合工程实例，通过延时关闭止回阀，分析了经过加压泵站加压，且起始端有较高余压的输水管线的水锤防护效果。

1 特征线法及水锤防护设备

1.1 水锤求解方法——特征线法

水锤计算方法较多，本研究采用特征线法。特征线法的基本原理是将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组转化为在特征线上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。水锤计算的特征差分方程为式(1)～式(4)。

QL1、QL2——管道L1、L2 两点的瞬态流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 两点的瞬态水头;

CT、Cn——水锤特征沿程的特征参量;

Ca——管道的特征常数;

Cf——管道的摩阻性常数;

g——重力加速度;

a——水锤波速;

f——管道的阻力系数;

Δt——选定时间步长;

D——管道直径;

A——管道过流面积。

针对长距离、起伏大的输水管线，水锤防护设备有双向调压塔、单向调压塔、真空吸气阀。针对该项目采用了单向调压塔。

1.2 水锤防护设备——单向调压塔

单向调压塔在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。单向调压塔的注水管上装设有逆止阀，当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱分离，避免弥合水锤。单向调压塔的几何高度及容积较双向调压塔可大大降低，其几何高度及容积相对较小，经济合理，但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。由于单向调压塔是靠塔内水位与管道内压力差，在重力作用下进行补水防止水柱分离的，因此其保护范围仅为塔内最高水位以下的管道部分。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。计算公式如下:

当Hp3≤Hp，Qp3=0 时

以上式中 Qp1——流经调压塔前管内流量，m3/s;

Qp2——流经调压塔后管内流量，m3/s;

Qp3——流出调压塔流量，m3/s;

Ca——调压塔出口流量系数;

AP——补水短管的过流面积，m2;

HP3——调压塔水位，m;

HP——管中压力，m;

Smax——调压塔内浮球阀控制最高水位(常数)，m;

Z——塔相对于基准面高度，m;

Q3——塔内流量，m3/s;

Δt——调压塔出流时间，s;

F——塔断面面积，m2。

2 水锤防护方案实例

2.1 工程简介

大伙房水库输水应急入连工程设计输水流量3510L/s。该项目分析其中鞍山加压泵站至盖州加压泵站段的水锤防护问题。该段长度为122.5km，全线设置空气阀325处，每处安装DN200 空气阀2个，共计650个DN200 空气阀，单向调压塔两座。其中单向调压塔分别设在桩号42+171 和107+085 处。桩号42+171 处调压塔最高水位为38.11m，最低水位为20m，直径为6.2m，容积为543m3。桩号107+085 处调压塔最高水位为32.13m，最低水位为20m，直径为3.57m，容积为121m3。鞍山加压泵站采用压力罐吸水，所以首端有较高压力。

该工程稳态计算结果见图1。

图1 管线稳态运行状况

分析可知:管线稳态运行时，管线各处自由水压小于承压能力，管线承压能力满足稳态需求，但首端压力很高。

2.2 水锤防护方案

在现有设备条件下，事故停泵时不关闭止回阀，水锤防护效果见图2。

图2 事故停泵水锤后果

分析可知:事故停泵时最大压力(自由水头)超出1.5倍承压能力，泵后最小压力(自由水头)达到-10m，会发生水柱分离。

研究针对关闭止回阀，分别给出两个可行的水锤防护方案，进行比较。

2.2.1 方案一(止回阀不延时关闭)

在鞍山泵站各水泵出口压水管安装缓闭液控止回阀，事故停泵时，该阀门的控制方式为前120s 关闭80%，600s以后再逐步全部关闭(时间不少于900s)。鞍山加压泵站出口设置4台DN400的压力波动预止阀。计算模拟时，管线全线不设空气阀，只设两座调压塔。在该水锤防护设备方案下，进行停泵水锤计算模拟，计算结果见图3。