供水系统瞬变流分析及运行调节安全研究

袁 哲，周子旋

(扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

对于大型水厂供水系统，从水力特性和系统构成上看，扬程高、流量大、供水管线长、系统构成复杂且水力边界条件复杂[1-3]，这些典型特点对供水系统的安全可靠运行及优化调度带来了一系列问题，为保证工程在设计工况下稳定运行，需要对工程运行当中的水力过渡过程计算、水锤的安全防护以及运行安全调度进行深入研究。

关于供水系统中的瞬变流问题，国内已有相关的研究：刘竹溪等[4]对研究泵站系统水力过渡过程起到了重要的作用；黄时锋等[5]、吴远为等[6]研究了水泵失电工况出口阀关闭规律的优选，结果表明其能够有效预防供水系统水击破坏事故的发生；郭伟奇等[7]、周广钰等[8]研究了重力流输水系统水锤防护措施的比较分析；冀健红等[9]、李开来等[10]研究了加压泵站输水系统的停泵水锤防护措施。

基于以上研究成果，本文采取特征线法建立供水系统全线水锤计算模型，对不同水锤防护措施进行可行性分析，并提出合理的水锤防护措施，在确保供水工程安全运行的情况下，进行泵站运行调度的相关研究。

1 水力过渡过程计算数学模型

描述任意管道中水流运动状态的基本方程为：

(1)

(2)

式中H——测压管水头；Q——流量；D——管道直径；A——管道横截面积；t——时间变量；a——水锤波速；g——重力加速度；x——沿管轴线的距离；f——摩阻系数；β——管轴线与水平面的夹角。

式(1)、(2)可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程。

对于长度L的管道，如果分成N段，每一段的长度为Δx=L/N，并取计算时间步长为Δt=Δx/a，可以绘出x-t平面上的矩形网格见图1。

图1 x-t特征线网格示意

由此，可建立如下特征相容方程：

C+:HPi=Cp-BPQPi

(3)

C-:HPi=CM+BMQPi

(4)

式中，CP、CM、BP、BM是t-Δt时刻的已知量，分别为：

CP=Hi-1+BQi-1；CM=Hi+1-BQi+1

BP=B+R|Qi-1|；BM=B+R|Qi+1|

其中，B、R是常数，分别为：

在输水管道系统的水力过渡过程计算时，一般从初始稳定运行状态开始，并取此时为t=0，即此时对应的各参数值为初始已知值。式(3)、(4)均只有2个未知数参数，结合边界条件即可求解。

2 工程概况

某大型水厂供水工程输水管道管中心远程线见图2。图中h、l分别为高程和距离泵后的长度。供水长度超过30 km，并联3台卧轴单级双吸离心泵，单泵流量0.753 m3/s，水泵扬程为44 m，转动惯量为200 kg·m2,额定转速990 r/min，泵后设有液控蝶阀，出厂水通过泵房增压后分2根管道，其中一根管径DN 1000，管道接至调压阀后支线；另一根管径DN 1400，管道接至调流阀前清水总管。

图2 输水管道管中心高程线

依据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》[11]，水锤防护措施的设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.4倍最大工作压力。对加压输水管道，事故停泵后的水泵反转速度不应大于其额定转速的1.2倍，且超过额定转速的持续时间不应超过2 min。

系统管道沿线最大负压原则性上不应超过-8.0 m。当采用调压塔和空气压力罐进行负压防护时，其水锤防护措施的选择和设置应保证在各种工况下管道不出现负压；当采用空气阀进行负压防护时，其管道负压计算值不应超过-3.0 m。

3 供水系统水力过渡过程研究

3.1 控制工况水力过渡过程计算

针对供水系统典型供水工况、高日高时、均日均时3种工况，进行水力过渡过程计算研究。充分考虑水厂实际泵组情况，为达到供水系统日供水量规模的需求，合理选取控制工况，进行水力过渡过程校核计算。无水锤防护措施时，输水管道沿程最小测压管水头线及水泵转速变化过程曲线见图3、4。

图3 输水管道沿程最小测压管水头线

图4 水泵转速变化过程线

水厂供水系统在控制工况下稳定运行突然失电的情况，系统最小内水压力可达-10.0 m，供水系统中出现过大的负压，导致水体汽化并可能产生弥合水锤，从而可能造成系统管道的破坏事故发生；另外，水泵出口阀拒动情况下的泵组最大反转速超过了额定转速值，可能发生水泵破坏事故。因此，应及时采取相关水锤防护措施，预防危险事故的发生。

3.2 水锤防护措施分析

从尽可能减小水泵事故失电情况下可能产生的水锤风险出发，水泵出口阀关闭规律推荐按照两阶段折线关闭，中间转折点开度为15°，当不进行其他工程措施时，考虑不同关闭规律情况下的系统最小内水压力差别不大，减小水泵出口阀的总关闭时间对于水泵最大反转速是有利的[12-13]。

从水锤防护角度出发，探讨合理、可行的水锤相关防护措施是非常有必要的。对长距离输水管道来说，一般常见的水锤防护措施包括以下几种[14-16]。

a)增大泵组转动惯量。采用增大泵组转动惯量的方式水锤防护效果较好，但一般在工程设计阶段确定，对于已建工程，改造难度相对较大。

b)设置调压塔。采用调压塔进行水锤防护是一种较为可靠的水锤防护措施，在有压输水系统中比较多见，具有运行可靠性高、运行维护简单等优点。对于高扬程供水系统来说，常规调压塔的高度一般较高；实际工程中，如常规调压塔的布置受限时，应结合工程实际情况，探讨研究采用低位调压塔的布设方案。

c)设置单向补水塔或高压空气罐方案。工程量相对较小，施工周期较短，但水厂水位相对较高时，系统水力过渡过程中如果空气通过进排气阀进入大体积空气而未及时排出系统管道，随后可能出现数值较大的含气水锤，造成供水系统运行的风险。

d)设置进排气阀。进排气阀具有造价低、安装方便等优点。在实际工程中，空气进入管道系统中需要及时排出，未及时排出的气体存在管道中，可能导致压力较大的气水锤的发生，危及系统的安全运行。

根据工程实际情况，将系统运行风险降低到最小，本文研究布设低位调压塔方案：封闭水箱作为主室，下部通过连接管与支管连接，上部通过升管向上延伸并与大气相通。模拟水厂泵组突然失电时水力过渡过程，水泵出口阀按照推荐规律关闭。

管道局部高点处布设低位调压塔，输水管道沿程测压管水头包络线及水泵转速、调压室水位变化过程曲线见图5、6。

图5 输水管道沿程测压管水头包络线

图6 水泵转速及调压室水位变化过程线

采用布设低位调压塔的方案，供水系统最大最小内水压力符合要求，泵组基本不发生反转，调压塔最低水位不发生漏空，有效解决和消除了水锤事故，满足系统安全运行要求。

4 供水系统运行调度及安全研究

4.1 供水系统运行调度

降低供水系统的能耗，提高泵组运行的效率，实现供水系统优化调度，主要涉及水厂清水管线的接入点压力以及水厂供水量的合理选取2个问题。为达到提高供水流量的目的，可以从降低水厂接入点压力的角度出发，降低水泵正常运行的工作扬程。

4.1.1清水管线接入点控制压力计算

根据泵站水泵并联运行特性可知：当3台水泵工频并联抽水运行时，扬程越小，水泵抽水量越大。因此，在清水池水位一定的情况下，水厂清水接入点的压力越小，水泵抽水量越大。水厂清水接入点的压力变化范围可从以下2个方面估算。

a)水厂清水接入点压力最大值。根据该水厂的供水能力和清水总管设计输水能力，该水厂清水接入点压力最大值为51.84 m左右。

b)水厂清水接入点压力最小值。选取控制工况，模拟水厂单泵、两泵、三泵工频稳定抽水运行下，管道沿程测压管水头线分布(图7)。

图7 输水管道沿程测压管水头包络线

单泵、两泵、三泵工频运行情况下，水厂清水接入点测压管水头分别为45.1、47.7、49.1 m,以管道当中不出现负压为控制指标，水厂清水接入点测压管水头应大于45.1 m。

4.1.2水厂3台大泵工频并联运行最大供水量计算

当水厂3台大泵工频并联运行，地区总需水量一定时，根据系统的实际布置情况，本文探讨以下2种方案，来实现增大该水厂供水量的目的。

a)通过减小水厂分岔点前主管的电动蝶阀开度，降低水厂接入点的供水压力，从而减小水厂增压水泵正常运行时的工作扬程，提高泵组供水量。

b)通过同时调整分岔点后的电动蝶阀及调流阀，降低岔点供水压力，增大泵站供水。

2种方案下阀门开度与供水量之间的关系见图8、9，系统运行参数计算结果见表1、2。

图8 方案1阀门开度与供水量之间的关系曲线

图9 方案2阀门开度与供水量之间的关系曲线

表1 方案1系统运行参数计算结果

表2 方案2系统运行参数计算结果

当不考虑水厂供水系统泵组失电等水锤风险时，当系统需水量一定的情况下，通过以上2种方案，均可以提高水厂的供水规模。当两阀门完全关闭，完全由该水厂来供水时，清水接入点压力水头为39.60 m，低于系统允许最小压力；方案1阀门开度6.7°左右时，水厂清水接入点压力水头为45.54 m的系统允许最小压力，水泵扬程为44 m，泵组运行效率最高；方案2电动蝶阀开度为5.0°、调流阀开度为4.5°时，水厂清水接入点压力水头为45.53 m的系统允许最小压力，水泵扬程为44 m，泵组运行效率最高。

另需注意的是，对于以上2种方案，均需电动蝶阀参与系统流量的调节。在相同条件下，综合考虑蝶阀开度、运行切换操作的方便性等因素影响，采用方案1减小水厂分岔点前主管的电动蝶阀开度的方案更合理。

4.2 最大供水量水力过渡过程校核计算

采用减小水厂分岔点前主管的电动蝶阀开度对水厂供水系统进行流量调节时，对应水厂最大供水流量下，按照本文推荐调压塔布置方案，水力过渡过程计算校核结果见表3。

表3 水厂最大供水量情况下水力过渡过程计算

对于水厂最大供水量情况，水厂供水系统在控制工况下稳定运行突然失电的情况，若主管蝶阀拒动，调压塔将出现漏空，且系统最小内水压力出现较大的负压值；若水厂泵组失电的同时开启主管蝶阀(300 s以内达到全开)，系统最小内水压力不会出现新的控制值，且调压塔不发生漏空现象，系统运行的安全性可以得到有效保证。

5 结语

通过对某实际水厂供水工程进行水力过渡过程模拟，探讨供水系统工程的安全运行与生产运行调度问题，得到以下结论。

a)在稳定运行突然失电情况下，对失事可能造成的后果，分析提出了采用布设低位调压塔的水锤防护措施，保证了最小内水压力、最大内水压力、泵组最大反转速及调压塔最低涌波水位均能够满足安全运行要求。

b)综合考虑蝶阀开度、运行切换操作的方便性等因素影响，采用减小水厂分岔点前主管的电动蝶阀开度方案可以提高水厂的供水量；对于水厂最大供水量情况，采用布设低位调压塔的水锤防护措施，若水厂泵组失电的同时开启调节阀(300 s以内达到全开)，系统最小内水压力不会出现新的控制值，且调压塔不发生漏空现象，系统运行的安全性可以得到有效保证。