老君庙二级供水工程水锤计算及防护

陆云才

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆准东地区是国家规划建设的第14个能源基地(新疆)的重要组成部分，当地水资源极端匮乏，直接影响到准东地区的经济发展。老君庙二级供水工程作为该区域的二级供水项目，主要解决准东工业园区西黑山、芨芨湖和老君庙片区的生产、生活用水问题。设计水平年的年供水量为3 150万m3。老君庙二级供水工程通过3级泵站和56.70 km长的输水管线将水输送到老君庙事故备用水池，管线全年运行。根据沿线地形条件，管线布置分为3段。第1段：第1级泵站布置于将军庙水池放水口处；输水管线从将军庙水池东侧分水口沿省道S228 西侧向南至第2级泵站，该段管线长度为14.93 km。第2段：第2级泵站与冬季调蓄水池结合，布置在规划冬季调蓄水池放水口下游，具体位置在将军庙景点以东约900 m 处，距离S228 省道约1 km；输水管线从第2级泵站向南基本沿省道S228 东侧布置，至第3级泵站。该段管线长度为22.31 km。第3段：第3级泵站布置在芨芨湖西矿井北部边界中段，S228 省道东约3.6 km处；输水管线从第3级泵站向东再向南沿芨芨湖西矿井北、东界线布置，至西黑山矿区与老君庙矿区间无煤带处的事故备用水池。该段管线长度为19.46 km。

2 主要技术资料

2.1 水泵参数

本工程的输水管线纵剖面布置如图1，采用三级加压供水方式进行输水。第1级泵站、第2级泵站和第3级泵站近期均安装4 台机组，包括2 台大泵和2 台小泵，均采取1 台大泵和2 台小泵运行、1 台大泵备用的运行方式，各级泵站水泵的性能参数见表1所示。

表1 水泵机组性能参数表

图1 输水管线纵剖面图

2.2 泵出口阀门

本系统各水泵出口均安装多功能水泵控制阀，该阀为水力自动阀门。其中：第1级泵站和第2级泵站水泵出口分别装设有DN600(大泵)和DN500(小泵)各2 台，第3级泵站分别装设有DN500(大泵)和DN400(小泵)各2 台。水泵出口阀门是抽水系统在正常、非正常情况下进行停泵断流或进行水锤防护的重要设备，其过流特性对工程的正常运用与事故控制都有很大的影响。DN600 阀门全开行程为174 mm，该开度下的局部阻力系数为3.68；DN500 阀门全开行程为143 mm，该开度下的局部阻力系数如表2所示。

各级泵站进、出水池的水位如表3 所示。

3 水锤计算的数学模型及计算方法

水锤计算是对整个输水管道系统进行计算分析，包括管道内结点及与管道连接的水池、阀门及其它过流元件。在水锤计算中，对于管道系统内结点的计算是求解水锤基本方程，即由运动方程和连续方程组成的双曲型偏微分方程组[1]。为了便于计算机计算，将该偏微分方程组离散化，为此，在特征线方向将它转化为水锤全微分方程：

(1)

(2)

表2 泵出口阀不同行程开度下的特性参数表

表3 泵站进、出水池水位表

图2 x-t坐标系中的水锤特征线图

有限差分方程式的的推导分别是从A、B点沿C+、C-积分到P点，则A点的H由HA变为HP、Q由QA变为QP，B点的H由HB变为HP、Q由QB变为QP，可得近似简化积分式为:

(3)

(4)

当各点初始状态时的Q、H值和边界点的条件方程己知时，就可根据前一时段t0时刻已知的Q、H值，用方程求出后一时段t0+Δt时的Q、H值[2]。对于所有内结点的计算就用以上介绍的方法计算。

4 计算结果

4.1 关于单站事故停泵水锤计算

假定各级泵站的进、出水池截面积足够大，其水位在过渡过程中的波动忽略不计，以设计净扬程工况作为控制工况，分别进行停泵水锤防护措施的选择，并对其他运行工况进行校核[3]。各泵站的单站停泵水锤计算结果分别汇总于表4～6。

表4 1级泵站单站事故停泵水锤计算结果汇总表

表5 2级泵站单站事故停泵水锤计算结果汇总表

表6 3级泵站单站事故停泵水锤计算结果汇总表

4.2 关于全系统事故停泵水锤计算

在给定第1级泵站进水池和第3级泵站出水池水位的条件下，考虑中间水池(第1级泵站出水池和第2级泵站出水池)水位在过渡过程中的变化，进行全系统即3站串联的事故停泵水锤计算，对前面单站水锤计算拟定的水锤防护措施进行校核，结果表明：

(1) 由于1级泵站和2级泵站的出水池横截面积较大，其在停泵过渡过程中的水位变化速度很慢，均小于1 mm/s， 因此，在有限的计算时间内，该水位的变化对过渡过程的影响很小[4]，即在工况相同条件下，全系统水锤计算的结果与单站水锤计算的结果区别很小。

(2) 由于3站串联运行时，1级泵站出水池水位和2级泵站出水池水位与设计水位值存在差异，导致各站管线的最大水锤压力和单站水锤计算的结果存在一定偏差[5]。在全系统串联计算条件下，1级泵站管线的最大水锤压力为83.05 m，2级泵站管线的最大水锤压力为173.79 m，3级泵站管线最大水锤压力为138.50 m。

全系统停泵水锤计算的结果汇总于表7。

表7 全系统事故停泵水锤计算结果表

5 结 语

由于空气阀是通过向管道内补气来破坏水柱分离现象，其进气和排气两相流过渡过程的影响因素十分复杂，管道中排完空气时，可能产生水柱再撞击[6]；现有空气阀计算模型中的几点假设，由于试验研究及理论研究尚不充分，其对于水柱分离的防护及其对水锤的影响尚有待于进一步深入研究；实际工程中，将空气阀作为主要的弥合水锤防护措施，也不乏失败的教训，如九江第三水厂水源泵站及输水管线、内蒙古达拉特电厂供水管线等。其中，九江第三水厂水源泵站及输水管线1998年建成时，为防止在管道局部凸起点发生水柱分离及弥合水锤，在凸起点装设了空气阀，但在1998—2000 年的实际运行过程中，多次发生因事故停泵水锤而导致管道爆破的事故，随后，业主在局部凸起点装设单向调压塔的水锤防护方案。该方案于2001年实施后，经过一期单机单管、二期双机单管的实际运行检验，由于单向调压塔的有效防护，该系统的停泵过渡过程十分平稳，再未发生过水锤爆管事故，至今已安全运行13 a；现场原型水锤测试结果不仅表明单向调压塔可有效防止水柱分离及弥合水锤事故的发生，而且验证了现有单向调压塔水锤计算模型的精度完全可以满足工程需要。

考虑到本系统2级泵站和3级泵站的管线长、净扬程较高、管线纵剖面存在一定起伏，水柱分离及弥合水锤是威胁管线安全的主要因素[7]，因此，本阶段推荐单向调压塔方案作为2级泵站和3级泵站输水系统的水锤防护方案。

各泵站水锤防护方案建议如下：① 关于第1级泵站：水泵出口阀10 s/75%～140 s/25%两阶段关闭，在管线中装设23 处“快进慢排”空气阀(ACin/ACout=100)。② 关于第2级泵站：推荐第2级泵站的水锤防护方案如下：泵出口阀10 s/85%～140 s/15%两阶段关闭；在管线中设置1 座单向调压塔，装设35 处“快进慢排”空气阀(ACin/ACout=100)；③ 关于第3级泵站：泵出口阀10 s/85%～110 s/15% 两阶段关闭；在管线中设置1 座单向调压塔，装设28 处“快进慢排”空气阀(ACin/ACout=100)，由于本工程位于高寒地区，应注意单向调压塔在冬季的防冻问题。