长距离埋地压力管道水锤计算分析

2022-09-03王涛

治淮 2022年8期

王涛

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司合肥 230088）

1 引言

长距离供排水工程中，由于沿线地形复杂，水力元件较多，运行过程中发生的水锤是威胁工程安全的重要因素。阀门的突然关闭或者是加压泵站机组的突然停泵，会导致管道内水流的急速变化，同时引起管内压强的急剧波动，甚至超过管道的承压值，若不采用有效的防护措施，就会造成管道爆裂等水锤事故。因此长距离供排水管道系统工程中应充分考虑水锤对工程安全的影响，并对管路系统进行水锤防护设计。

本文以引江济淮工程（安徽段）派河截污导流水质保护工程主干线加压段埋地管道为背景，通过瞬变流计算中常用的特征线法建立全系统的水力过渡过程水力模型，提出系统水锤作用引起的非正常运行最不利参数，并采用有效的水锤防护措施，得出一系列有意义的结论。

2 工程背景

2.1 工程概况

引江济淮工程（安徽段）派河截污导流水质保护工程是引江济淮工程的重要组成部分，排水管线跨蜀山、高新、经开、滨湖、肥西县等区域。工程具有距离长、投资大、难度高等特点，其建成不仅有效保障了引江济淮派河清水廊道，同时还解决了西部城区大部污水集中排放问题，奠定合肥西部排水总体格局，对合肥市长远发展具有重要战略意义。

输水工程线路总长55.0km，全部采用地面管道形式，其中主干线加压段管道全长约9km，该段由加压泵站提水至调压池，泵站设计规模近期约为50万t/d，远期80 万t/d，采用埋地DN2200 的玻璃钢夹砂管，双管敷设，近期一用一备。近期6 台加压泵，5 用1 备；管道承压值暂取1.0MPa，远期9 台加压泵，8 用1 备。

2.2 计算原理

水锤计算是对整个系统进行计算分析，包括管道内点及与管道连接的水池、阀门及其他过流元件。在水锤计算中，对于管道系统内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。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：

图1 x-t 坐标系中的水锤特征线图

有限差分方程式的推导分别是从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：

式中：Δx=αΔt。利用以x、t为坐标的矩形网格来描述水锤计算的过程。如图2 所示，将管路划分为N个间距均为Δx的步段，断面排列序号用i表示，管路始端断面i=1，终端断面i=N+1，计算时段则为。相容性方程中的角标A、B分别用序号角标“i-1、i+1”代替，P点则用角标“Pi”代替。角标变动后，式（2）、式（3）的简化式可改写为：

图2 简化差分公式的矩形网格图

解上述方程可得：

其中：

参数B、R和综合参数Cp、CM可在可计算时段开始时先算出。式（6）、（7）也可写为：

从式（6）到式（9）便是水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。当各点初始状态时的Q、H值和边界点的条件方程已知时，可根据前一时段t0时刻已知的Q、H值，用式（8）或式（9）求出后一时段t0+Δt时的Q、H值。

3 水锤计算与分析

3.1 管道稳定流工况下水锤计算

管道稳态运行压力线如图3。

图3 管道稳态运行压力线图

3.2 管道非稳定流工况下水锤计算

该工程主干线加压段采取复合排气阀配合箱式双向调压塔的形式预防水锤，全线共设置10 座复合排气阀，并在靠近起点泵站出口100m 的位置设置一座双向调压塔。以该段近期50 万t/d 规模为例，针对管道的水泵出口处阀门不同快慢关阀时间及角度时的管道水锤升压进行具体分析计算，如图4。

图4 水泵阀门不同快慢关闭时间及角度时水锤压力线图

3.3 分析与结论

由水泵出口阀门不同快慢关时间及角度时水锤压力线中图4 可以得到如下结论：①指定桩号处安装复核排气阀和箱式双向调压塔，当多功能水泵控制阀的快关时间是5～8s，快关角度是60°～70°，总关时间是40～100s 时，管段的水锤升压基本都降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显，且管道中不出现断流空腔。②由于管道中的水锤压力明显降至承压以内，水泵出口阀门不同的快慢关时间和角度对管道中的压力几乎没有影响。