大型灌区供水系统水锤防护研究

王 拴 定

(陕西省泾惠渠灌溉中心， 陕西 三原 713800)

大型灌区在我国农业和农村经济发展中具有重要的地位，其生产粮食占全国1/4，农业生产总值占全国1/3，灌溉用水量约1 500亿m3，是重要的产粮基地。由泵站及输水管路组成的供水系统作为灌区最为重要的基础设施，经常同时担负着向城市及农村生活、工业供水的任务，因此确保供水系统的稳定和安全运行对于大型灌区农业生产和水资源配置具有重要意义。水锤是危害大型灌区供水系统运行稳定性的重要因素，大型灌区供水系统由于较长的管线以及管线的起伏变化、输水运行过程中的开关阀、流量调节、充水和放空等工况[1-3]，均有可能引起水锤危害。

常用的水锤防护措施有多种，如调压池、空气阀、空气罐、水锤消除器、可控阀、止回阀加旁通管和增加水泵机组转动惯量等[4-7]。针对大型灌区供水系统，如何在设计中全面、有效地预测管道瞬态压力，分析可能会产生的水锤危害，进而确定出安全可靠、经济合理的水锤防护措施，是确保大型灌区安全运行的重要前提[8-9]。常用的水锤防护措施有多种，如调压池、空气阀、空气罐、水锤消除器、可控阀、止回阀加旁通管和增加水泵机组转动惯量等，本研究依托陕西省某大型灌区供水系统，在泵站供水系统改造中利用水力模拟软件进行数值模拟，模拟不同工况条件下供水系统内的压力变化，分析各工况下管路可能出现的最大正压和负压值，并通过在各不利点设置水锤防护措施，最大限度降低水锤的危害，对确保大型灌区供水系统安全运行具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 工程特性

本次研究对象为陕西省某大型灌区5个主要供水系统之一，为水库和渠道结合供水泵站，承担着灌区内共计2 466.67 hm2农田的灌溉任务。工程主要系统布置简图如图1所示，该大型灌溉泵站具有流量大、扬程高的特点，同时输水管线较长且沿线地形坡度变化大。如遇断电、停泵等突然事故，整个系统内易产生较严重的水锤危害。因此，有必要对供水系统的水力运行工况进行数值模拟，为工程布置提供设计依据。

图1 供水系统布置简图

1.2 基础参数

泵站设计总流量3.6 m3/s，静扬程132.518 m，设计扬程约148 m，总装机功率为7 500 kW。供水机组4台，其中2台大泵和2台小泵分别两两并联，小泵流量设为大泵流量的1/2。供水距离约1 650 m，采用2条球墨铸铁输水管，管径分别为DN800和DN1200，采用直埋敷设。泵房内的管路、前后衔接段，岔管、镇墩弯头和出水池段管路采用钢管。管线依据地形坡度可分为三段：(1) 水泵出水口至桩号K0+350区间，坡度约1∶10，地形较陡；(2) 桩号K0+350至K1+300区间，地形平缓，坡度约1∶1；(3) 桩号K1+300至出水池(K1+650)区间，坡度约1∶4，地形较陡。

2 水锤计算分析

为准确模拟并评估因停泵引发的水锤危害，本研究采用BentleyHammer专业计算软件进行模拟[10]。对管道全线进行计算分析，并对一些易引发水锤的地点进行重点分析，模拟计算管道的稳定性，得出压力管道系统由于水锤造成的最大压力变化情况，以期有针对地选取防护措施。

2.1 计算模型

建模是水锤计算的关键环节，本研究采用特征线法对水锤进行模拟计算[11]，对于压力管道非恒定流过渡过程，运动方程和连续方程是流动的基本控制方程[12-15]：

(1)

(2)

式中:h为水头;Q为流量;A为管道断面面积;λ为管路摩阻系数;a为水锤波传播速度;t为时间;x为位置坐标。

上述两方程为准线性双曲型偏微分方程，进行相应转化后，即得特征线方程为：

(3)

当

(4)

和

(5)

当

(6)

参阅图2特征线可知，假设在t=t0时的状态为已知，这时状态不是最初已经知道，就是在前一时段已经计算出来。计算t0+Δt时的状态，沿正特征线AP可得:

dQ=QP-QA

(7)

dh=hP-hA

(8)

图2 水锤计算特征线示意图

同样，沿负特征线BP可得:

dQ=QP-QB

(9)

dh=hP-hB

(10)

式中:下标表示在x-t平面上的位置。

特征线法采用有限差分法数值求解水力瞬变。计算在A、B两点摩擦阻力并用Δt遍乘后得到：

(11)

(12)

式(11)、式(12)可写为：

QP=CA-CPhP

(13)

QP=CB+CPhP

(14)

式中

(15)

(16)

(17)

每个时段内，常量CA和CB是已知的，CP取决于管道特性。将方程式(13)叫做正特征方程，方程式(14)叫做负特征方程。

这样，利用方程式(13)和式(14)可确定时段末所有内部节点的状态，而在边界处，使用相应的特征方程配合边界条件即可求解得到边界结点的状态，从而可以完成一个时段内整个系统的水锤计算，再以此时段末的流动状态作为下一时段计算的初始状态，即可最终完成整个系统全过程的水锤计算。

2.2 稳态工况计算

停泵水锤研究首先应分析水泵正常运行状态下的工况，即稳态工况。稳态工况主要分析管路沿线的正常压力分布，为水锤分析提供必要的基础数据。本工程稳态压力分布见图2。由图2可看出，稳态运行时，管路最大压力位于水泵出口，最小压力位于管网末端附近，最大压力为1 417 kPa，最小压力为-1.7 kPa。

2.3 停泵水锤计算

停泵不关阀工况主要用于探究停泵(包括事故停泵)且水泵出口未设置止回阀的情况下，管路和水泵是否会产生水泵倒转、管路正负压等影响系统安全的不利工况。管路负压过大可能会将管道压扁，水泵倒转时间过长可能造成电机烧毁、水泵叶轮脱落、泵轴渗漏等危害。本工程停泵不关阀工况下的压力分布见图3，水泵倒转时间见表1。

表1 停泵工况的时间特征值表

图3 稳态工况与停泵工况下压力及水头分布

由图3和表1可看出，停泵不关阀时，管路正压在系统承压范围内，管路最大负压达到-97.9 kPa，水泵反转速度超过额定转速的1.2倍。即本工程停泵不关阀时产生的负压和水泵反转会危害管路和机组安全，需要采取防治措施。

3 防护措施优化

3.1 水锤防护方案比选

针对有压供水系统，常用的水锤防护措施根据防护原理，可分为注水或注气稳压、泄水降压、调流稳压以及管道与设备系统调整等方式[16-17]。综合前述分析，发生突然停泵时，输水管路中将会产生较为严重的负压，负压过大时，会引起管道向内压缩，进而造成输水管路的失稳，严重威胁灌区供水系统的安全稳定，因此，本研究需重点关注断流弥合水锤的防护。防治此类水锤的主要办法为消除负压，结合本工程流量大、扬程高且输水管线较长的特点，对水锤防护方案进行比选，比选结果见表2。

由表2可知，空气阀、缓闭止回阀和双向调压塔两项防护措施均能适用本供水工程。通过系统模拟，本工程设置进排气阀无法有效防治水泵水锤，为进一步选定更优的水锤防护方案，本研究采用设置缓闭止回阀、设置双向调压塔的综合方式对水锤进行控制。

表2 水锤防护方案比选

3.2 设置缓闭式止回阀

为防止水泵倒转，本研究拟定在水泵出口设置两阶段关闭液控蝶阀，并优化泵后出口阀门的开启和关闭规律。通过调整阀门的缓闭时间，分析供水系统内压力变化情况。不同缓闭时间的水锤压力变化见表3，压力包络线见图4。

表3 不同关阀时间的水锤压力

图4 设缓闭阀时的压力包络线

从表3可以看出，大泵关闭时间选择第一阶段4 s关闭75%，第二阶段35 s关闭25%；小泵关闭时间选择第一阶段6 s关闭75%，第二阶段40 s关闭25%，此时系统内最大升压和最大反转速最小。在此基础上，由图3可看出，仅设缓闭止回阀的情况下，当供水系统发生停泵时，管路系统出现较大水锤现象。其中，整个系统出现的最大压力为188.5 m，较稳态压力升压45.74 m，小于系统中阀门和管道的最大设计压力2.5 MPa，在系统允许的波动范围内。

但另一方面，出现停泵后，在供水系统中水泵后方出现负压波并向下游输水管路传播，在管路K0+250至K0+850区间段达到峰值-9.79 m，较稳态压力降压152.55 m。根据模型运行结果可知，管路K0+350为明显的驼峰点，上下游坡度变化较大，在停泵时水流速度出现较大变化，负压波传输到该点导致水柱断裂，产生断流弥合水锤。由此可见，缓闭止回阀虽然能够起到有效的水锤防护效果，但在大型输水工程中，单一利用缓闭止回阀无法对管路沿线的断流弥合水锤进行防护，必须结合其他水锤防护措施才能实现对工程的有效防护。

3.3 双向调压池

针对灌区供水系统改造，调压池构造简单可靠，对原系统的影响最小，且所有构件均无敏感或易损设备，较吸气阀等防水锤部件而言，可有效防止管路系统吸气后管路内的气体震荡，产生新的水锤，可有效保证系统安全性。因此，本研究拟定在管路设置缓闭止回阀的基础上，于水锤断裂区域附近增加双向调压池，以期最大限度降低水锤危害。

根据供水系统工程布置特性，在管路驼峰点K0+350处设置调压池，从调压池引出2根DN600连通管和2根DN400连通管分别与DN1200和DN800输水主干管连接，可起到互为备用的目的，进一步提高系统可靠性，并在调压水池的出水管上设电动闸阀和止回阀。优化后的水锤防护原理为：调压池内水体通过连通管与主管道连接，当发生突然停泵工况时，调压水池依据管道压力变化自动向压力管道补水，以此来反射水锤波，抑制管道内压力波动。调压水池进水阀及出水电动闸阀与机组开启同步，水池水位达到最低水位时出水电动闸阀关闭。

对设置调压池后的供水系统重新进行模拟计算，增加防护后供水系统内水锤压力的变化详见表4，压力包络线见图5。

表4 设置调压池时不同关阀时间的水锤压力表

由复核结果可以看出，管路系统设置调压池后，可有效消除停泵事故造成的管道系统负压问题，泵后管道及输水管道内未出现水柱断裂区域。管路最高水锤压力为172 m，较单一设置缓闭止回阀的最大压力188.5 m降低了16.5 m；最低水锤压力为-1.4 m，较单一设置缓闭止回阀的最低压力-9.79 m提升了8.39 m。其最高升压29.24 m，最高降压为144.16 m，满足规范要求，且较单一设置缓闭止回阀措施有更好的水锤防护效果。

4 结 论

本研究针对某大型灌区内典型的大流量、高扬程的长距离供水系统开展停泵水锤防护研究，利用供水系统更新改造，在原供水系统中泵后设置缓闭止回阀，同时在管道关键点处增设调压池对断流弥合水锤进行防护，并采用数值模拟计算对增设防护措施后的供水系统进行复核计算。根据研究结果，管路最高升压29.24 m，最高降压为144.16 m，满足规范要求；泵后管道及输水管道内未出现水柱断裂区域，有效地消除了因停泵事故造成的管道系统负压问题。该防护设计现已投入运行，期间多次模拟失电状态，压力检测数据均在安全范围内，系统均保持安全可靠。在供水系统的低洼点、驼峰点等管道关键节点设置调压池消除水锤的效果明显优于其他方式，在大型灌区供水系统中值得推广。