摘要： 針對虹吸斷流結構管線水錘防護問題，運用Bentley Hammer軟件進行水力過渡過程分析，提出了泵后液控蝶閥與真空破壞閥聯(lián)合防護方案.結合管道壓力控制標準，分析對比了在水泵事故停泵工況下真空破壞閥對虹吸結構處水錘的防護效果，同時對真空破壞閥在不同進口直徑和不同整定值下的水錘防護效果進行了探討分析.計算結果表明，增設真空破壞閥極大改善了虹吸處水錘負壓，最低水錘負壓為-3.69 m；真空破壞閥直徑越大防護效果越好，最佳直徑設置為管道直徑1/3處；真空破壞閥整定值越大對水錘防護的效果越弱，整定值設為-3.80 m時管道水錘負壓最小，整定值小于管道最小壓力時閥不動作.該分析結果給真空破壞閥的選擇提供了一定的參考，對虹吸斷流結構輸水工程水錘防護具有重要的意義.

關鍵詞： 輸水工程；真空破壞閥；虹吸斷流；液控蝶閥；水錘負壓

中圖分類號： S277.7 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）12-1243-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0087

饒?zhí)烊A，秦戰(zhàn)生，劉紹謙，等. 真空破壞閥對虹吸斷流管道的水錘防護效果[J]. 排灌機械工程學報，2024，42（12）：1243-1248.

RAO Tianhua， QIN Zhansheng， LIU Shaoqian， et al. Water hammer protection effect of vacuum break valve on siphon cut-off pipeline[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（12）： 1243-1248. （in Chinese）

Water hammer protection effect of vacuum break valve on

siphon cut-off pipeline

RAO Tianhua1， QIN Zhansheng1， LIU Shaoqian2， YANG Chunxia^1*， ZHENG Yuan1， SU Shengzhi1

（1. College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing， Jiangsu 210000，China；2. Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.， Zhengzhou， Henan 450003，China）

Abstract： Bentley Hammer software was used to analyze the hydraulic transition process for the water hammer protection of siphon cut-off structure pipeline， and a combined protection scheme of hydraulic control butterfly valve and vacuum breaking valve after pump was proposed. Combined with the pipeline pressure control standard， the protective effect of vacuum breaking valve on water hammer at the siphon structure was analyzed and compared under the condition of pump accident shutdown. At the same time， the protective effect of vacuum damage valve on water hammer under different inlet diameters and different setting values was discussed and analyzed. The calculation results show that the addition of a vacuum breaking valve greatly improves the negative pressure of water hammer at siphon， and the minimum negative pressure of water hammer is -3.69 m. The larger the diameter of the vacuum damage valve is， the better the protection effect， and the optimal diameter is set to 1/3 of the pipe diameter. The larger the setting value of the vacuum breaking valve is， the weaker the effect of water hammer protection is. When the setting value is set to -3.80 m， the negative pressure of the pipeline water hammer is the smallest， and the valve does not operate when the setting value is less than the minimum pressure of the pipeline. The analysis results provide a certain reference for the selection of vacuum breaking valve， which is of great significance for the water hammer protection of siphon cut-off structure water conveyance projects.

Key words： water conveyance project；vacuum breaking valve；siphon cut-off flow；hydraulically controlled butterfly valve；water hammer negative pressure

近幾十年來，中國在長距離輸水工程上的建設呈現一個極速上升的趨勢，“南水北調”工程^[1-3]的成功建設顯示出中國在長距離輸水工程上有了里程碑式的跨越.在長距離有壓輸水工程^[4-5]中，受到地形、地質水流條件等因素的相互制約，輸水系統(tǒng)管線末端出水流道常被設計成虹吸斷流式結構，當泵站發(fā)生事故停泵時，在虹吸部位將產生較高的真空，嚴重時可能出現液柱分離現象，從而形成破壞性的彌合水錘^[6-7]，導致該處管道發(fā)生吸癟，影響輸水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.

真空破壞閥^[8-9]是一種工作原理類似空氣閥^[10]的單向補氣閥，其主要特征在于真空破壞閥的動作壓力可以設在大氣壓力以下，保證其在一定負壓條件下不動作.對于虹吸斷流結構輸水系統(tǒng)而言，當輸水系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，虹吸管段存在著允許范圍內的負壓，結合真空破壞閥這一特征，對于解決虹吸斷流結構水錘負壓是一種非常合適的選擇，因此其在輸水工程上得到了廣泛應用.

在對真空破壞閥的研究過程中，王騰躍等^[11]針對虹吸斷流結構提出了真空破壞閥和單向塔、空氣閥聯(lián)合防護方案，以此來解決虹吸管段的水錘負壓，通過模擬計算得出，采用真空破壞閥與空氣閥、單向塔聯(lián)合防護有效地防止了管道水體中混入氣體，避免了氣柱彌合現象的發(fā)生.吳鑫昊等^[12]提出了兩階段液控蝶閥、空氣閥、真空破壞閥聯(lián)合防護方案，結果表明，該聯(lián)合防護方案很好地改善了管道正負壓力.上述研究均采用了真空破壞閥與其他水錘防護措施聯(lián)合防護，顯示了真空破壞閥在虹吸段管道的顯著作用，但未討論真空破壞閥自身參數設置對水錘負壓的影響.文中以某實際工程為例，運用Bentley Hammer商用軟件對虹吸斷流結構進行模擬計算，分析研究真空破壞閥進口直徑與初始動作壓力（整定值）對管道負壓水錘的影響.

1 水錘計算數學模型

1.1 水錘計算特征線方程

連續(xù)方程和運動方程^[13-15]是水錘基本方程理論的基礎，充分反映水力過渡過程中不穩(wěn)定水流的流速和水頭的變化規(guī)律，水錘計算基本微分方程表達式為

連續(xù)方程

Ht+vHx+sin α+a2gvx=0，（1）

運動方程

Hx+1gvt+vgvx+fDv|v|2g=0，（2）

式中：g為重力加速度；H為節(jié)點測壓管水頭；v為水流流速；x為水錘波傳播距離；t為水錘波傳播時間；f為摩阻系數；D為管道內徑；a為管道與水平面夾角.

1.2 真空破壞閥數學模型

真空破壞閥數學模型如圖1所示.圖中Qpxi為t0時刻流入斷面i的流量，m3/s；Qppi為t時刻流入斷面i的流量，m3/s；Qi為t0時刻流出斷面i的流量，m3/s；Qpi為t時刻流出斷面i的流量，m3/s；V為管道中空穴體積，m3；z為基準線與管道頂部的距離；C+，C-為水錘特征相容方程.

真空破壞閥邊界條件：

空氣亞音速流入

m=CinAin7p0ρ0pp0^{1.428 6}-pp0^{1.714 3}，（3）

p0gt;pgt;0.528p0，

空氣臨界流速流入

m=CinAin0.686RT0p0，plt;0.528p0，（4）

空氣亞音速流出

m=-CoutAoutp7RT

p0p^{1.428 6}-p0p^{1.714 3}，（5）

p00.528gt;pgt;p0，

空氣臨界流速流出

Qm=-CoutAout0.686RT0p，pgt;p00.528，（6）

式中：Qm為空氣質量流量，kg/s；Cin為進氣時閥的流量系數；Ain為進氣時閥的流通面積，m2；R為摩爾氣體常數，8.31 J/（mol·K）；T，T0分別為管內外溫度，K；ρ0為大氣密度，kg/m3；Aout為排氣時閥的流通面積，m2；Cout為排氣時閥的流量系數；p為管內壓力，m；p0為當地大氣壓，m.

2 案例分析

某二次加壓供水工程，管線全長約為466.38 m，設計供水流量為11.2 m3/s，采用預應力鋼筒混凝土（PCCP）單管供水，管線末端為虹吸斷流結構，管徑為DN2400，以地下埋管方式鋪設.加壓泵站共安裝2臺臥式雙吸離心泵，水泵設計揚程116.8 m，單泵轉速為428.6 r/min，運行流量為5.6 m3/s.當泵站機組發(fā)生事故停泵時，管路末端將出現較大水錘負壓從而導致管道嚴重破壞，因此為保障管路安全穩(wěn)定運行必須采取有效的水錘防護措施.

在進行水錘計算之前需進行管道模型的創(chuàng)建，模型主要分為泵站和管道兩部分，泵站部分主要由進水池、水泵、泵后液控蝶閥組成，模型簡圖如圖2所示，管道部分則由管道以及其他水錘防護設施組成.

2.1 事故停泵水錘計算

輸水工程在實際運行期間存在多種運行工況，不同運行工況下管道沿線的內水壓力和測壓管水頭（即水力坡度）都有較大的差異，其中最危險的運行工況為水泵事故停泵且泵站前池水位為最低水位.本工程以2臺水泵并聯(lián)運行在最危險工況下進行事故停泵水錘分析.

圖3為管道沿線最大和最小壓力包絡線，圖中S為管線的垂直距離.根據圖3分析，管道穩(wěn)態(tài)工況下在管道末端存在一定的負壓，其主要集中在虹吸段.在未設置任何水錘防護措施的情況下，水泵出口閥門拒動，水泵事故停泵后管道壓力迅速降低，虹吸斷流管段負壓增大，最大負壓達到-5.60 m，無法滿足管道負壓控制要求，且管道可能發(fā)生水柱分離現象，從而形成破壞性的彌合水錘，嚴重危害管道安全.因此，需采取一定水錘防護措施來消除停泵水錘產生的水錘壓力，使其滿足工程規(guī)范要求.

2.2 真空破壞閥水錘防護計算

在虹吸（樁號0+420.00）處單獨設置1個DN800的真空破壞閥，真空破壞閥初始動作壓力設置為-3.80 m，并且在水泵出口增設DN1600的液控蝶閥來進行聯(lián)合防護，為了分析該聯(lián)合防護對虹吸斷流水錘的防護效果，現擬定2個方案進行模擬對比，詳細方案見表1.泵后蝶閥關閉規(guī)律選擇兩階段關閉，結合工程經驗及閥門特性，第一階段4 s快關80%開度，第二階段20 s慢關剩下的20%開度.各方案瞬態(tài)模擬計算結果如圖4所示.

圖4為各方案壓力包絡線.圖5為虹吸處流量及壓力變化.根據圖4，5可知，該管線在泵后液控蝶閥兩階段關閉方案下發(fā)生事故掉電時，管道沿線最小壓力較無防護時有一定改善，最小壓力為-5.60 m，位于虹吸斷流部位.方案一對虹吸處水錘負壓有一定消除作用，但其消除效果并不明顯，主要是通過關閥來削弱泵后產生的水錘負壓波，以此來改善管道水錘壓力.對比方案一，方案二增設真空破壞閥對于虹吸處水錘負壓有顯著的改善，此段最小壓力為-3.69 m，滿足管道負壓標準控制要求.該方案主要是通過在管道尾部虹吸部位增設真空破壞閥，利用真空破壞閥補氣加壓的能力來降低虹吸處水錘負壓；當水泵發(fā)生事故停泵時，泵后傳遞來的水錘波傳至虹吸處，此時管道壓力驟降至真空破壞閥初始動作壓力-3.80 m以下，真空破壞閥迅速打開進行補氣加壓，管道流量Q迅速降低.水泵掉電30 s后，真空破壞閥補氣結束，管道流量趨于穩(wěn)定，管道最小壓力滿足控制要求.

2.3 真空破壞閥直徑對水錘效果影響

在引水工程中，空氣閥作為一種常見的水錘防護措施，其進出氣孔口直徑大小影響著進氣、出氣的效率，對于水錘防護的效果有較大的影響，而真空破壞閥作為一種特殊的空氣閥，其進氣孔口直徑大小亦影響其對虹吸斷流結構水錘負壓的防護效果.為了分析真空破壞閥直徑對管路水錘負壓的影響，擬定3種不同進氣孔口直徑的真空破壞閥進行模擬分析，為實際工程中真空破壞閥的選型提供一定的參考.方案如表2所示.

模擬計算結果如圖6所示.由圖可知，不同進口直徑的真空破壞閥對于虹吸水錘負壓的削弱效果有一定的差異，進口直徑減小導致空氣進氣量降低，從而減弱了其對管道進行補氣加壓的效果.通過計算結果分析，進口直徑設置為300 mm時管道最小壓力為-5.30 m，隨著進口直徑的增大最小壓力也隨之提高，當進口直徑達到管路直徑1/3時，真空破壞閥的補氣加壓效果達到了頂峰，負壓最小值為-3.69 m；繼續(xù)增大進口直徑，最小壓力保持不變.

隨著真空破壞閥直徑的增大，其進氣量逐漸增大，導致虹吸處的真空被破壞，使水錘負壓波的傳遞受到極大抑制，管道中部存在的負壓逐漸減小直至消失.在直徑達到管徑的1/3時，管道全線除虹吸處皆為正壓.

2.4 真空破壞閥整定值對水錘效果的影響

真空破壞閥基本工作原理類似于空氣閥，主要差異在于空氣閥初始動作壓力（整定值）為0，而真空破壞閥初始動作壓力為-7.50～0 m，具體取值應結合實際工程進行設定.真空破壞閥初始動作壓力設定原則：系統(tǒng)正常運行時不動作，發(fā)生事故停泵時應快速動作反應.本節(jié)擬定3種方案對不同整定值進行計算分析，方案見表3，計算結果如圖7所示.

根據圖7可知，不同整定值對于水錘負壓的削弱效果有較大差別，方案一中整定值為-3.80 m時管道水錘負壓最小為-3.69 m；方案二中整定值設為-5.00 m，管道水錘負壓增大到-4.41 m；方案三中整定值設為-6.00 m（最小壓力為-5.60 m）時，管道水錘負壓為-5.60 m，

由于真空破壞閥初始動作壓力小于管道最小壓力，此時真空破壞閥未動作.通過結果分析得出，隨著整定值的逐漸變大，真空破壞閥的動作時間延遲直至不動作，其補氣效果較弱，從而導致虹吸管道處壓力未能及時得到改善，產生較大的水錘負壓.綜上所述，真空破壞閥整定值的取值范圍應在事故停泵時管道最小壓力和穩(wěn)態(tài)時管道最小壓力之間，具體取值需根據實際工程狀況進行確定.

3 結 論

1） 泵后蝶閥與真空破壞閥聯(lián)合防護對于虹吸斷流結構的水錘防護效果顯著，在真空破壞閥的補氣加壓下，虹吸處的水錘負壓得到了極大的削弱，最大水錘負壓從-5.60 m降低至-3.69 m，極大降低了發(fā)生斷流彌合水錘的風險，保證了輸水系統(tǒng)中虹吸斷流結構處的管道安全.

2） 真空破壞閥的進口直徑決定了其水錘防護效果的強弱，進口直徑越大效果越強，當直徑增大到管路直徑的1/3時，其水錘防護效果達到頂點，此時水錘負壓為-3.69 m.因此在實際工程中需合理選擇真空破壞閥的尺寸大小，充分利用真空破壞閥的補氣加壓能力，削弱斷流處的水錘負壓，避免在虹吸斷流處發(fā)生液柱分離現象，保障輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.

3） 真空破壞閥整定值的選擇遵循其設定原則（穩(wěn)態(tài)運行時不動作，發(fā)生事故停泵時快速反應），整定值為-3.80 m時水錘防護效果最佳，此時管道最小水錘壓力為-3.69 m，隨著整定值的不斷增大，水錘負壓逐漸增大.當整定值比管道最小壓力（-5.60 m）小時，真空破壞閥此時停止動作.

參考文獻（References）

[1] 郭度，闞德未，郭珂.南水北調精神內涵新論[J].南陽師范學院學報，2023，22（2）：6-11.

GUO Du， KAN Dewei， GUO Ke. New discussion on spiritual connotation of south-to-north water diversion project [J]. Journal of Nanyang Normal University， 2023， 22（2）： 6-11.（in Chinese）

[2] 練繼建，楊德明，趙新.南水北調中線工程冬季輸水冰情風險研究［J］. 水利水電科技進展， 2023，43 （1）： 63-70.

LIAN Jijian， YANG Deming， ZHAO Xin． Study on risk of sudden ice conditions in winter for Middle Route of South-to-North Water Diversion Project［J］. Advances in science and technology of water resources，2023，43 （1）： 63-70. （in Chinese）

[3] 耿春霞.北京市南水北調配套工程盾構經濟指標測算研究［J］.水利水電技術（中英文），2023，54（S1）：321-326.

GENG Chunxia. Research on the shield economic index for South-to-Noth Water Diversion Supporting Project in Beijng［J］. Water resourees and hydropower engineering，2023，54（S1）：321-326. （in Chinese）

[4] 楊春霞，李倩，馬經童，等.多分水口長距離輸水工程停泵水錘防護措施[J].排灌機械工程學報，2024，42（3）：250-255.

YANG Chunxia， LI Qian， MA Jingtong， et al. Water hammer protection measures for long-distance water transmission projects during pump stop with multiple water diversions outlets [J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering， 2024， 42（3）： 250-255.（in Chinese）

[5] 張怡雅，袁飛，張利敏，等. 南水北調中線工程調水前后漢江中下游干流水質變化特征［J］. 水利水電科技進展， 2022，42 （3）： 14-19.

ZHANG Yiya， YUAN Fei，ZHANG Limin，et al.Variation characteristics of water quality in middle and lower reaches of the Hanjiang River before and after Middle Route of South-to-North Water Diversion Project［J］. Advances in science and technology of water resources，2022，42（3）： 14-19. （in Chinese）

[6] 董茹，王小東，閆朝.水錘波速對長距離加壓輸水工程停泵斷流彌合水錘計算的影響研究[J].榆林學院學報，2021，31（4）：16-20.

DONG Ru， WANG Xiaodong， YAN Chao. Study on influence of water hammer wave velocity on calculation of pump-off water hammer in long-distance pressurized water transfer pipeline project [J]. Journal of Yulin University， 2021， 31 （4）： 16-20.（in Chinese）

[7] 韓凱，丁法龍，茅澤育.半解析法求解水柱分離與斷流彌合水錘問題及機理分析[J].農業(yè)工程學報，2019，35（15）：33-39.

HAN Kai， DING Falong， MAO Zeyu. Solving water co-lumn separation and cavity collapse for pipelines by semi-analytical method [J]. Transactions of the CSAE， 2019， 35（15）： 33-39.（in Chinese）

[8] 楊杰.葛洲壩電站真空破壞閥底座優(yōu)化改造[J].水電與新能源，2022，36（8）：33-36.

YANG Jie. Optimization renovation of the vacuum brea-king valve base in Gezhouba Hydropower Station [J]. Hydropower and new energy， 2022， 36（8）： 33-36.（in Chinese）

[9] 陳永波.前柳林泵站機組停機真空破壞閥聯(lián)動技術探索[J].中國水能及電氣化，2023（8）：34-38.

CHEN Yongbo. Exploration of interlocking technology for vacuum breaker in unit shutdown at Qianliulin Pumping Station [J]. China water power amp; electrification， 2023（8）： 34-38.（in Chinese）

[10] 楊開林.空氣閥水力瞬變數學模型[J].水利學報，2023，54（7）：775-784.

YANG Kailin. Mathematical models for hydraulic tran-sients of air valve [J]. Joural of hydraulic engineering， 2023， 54（7）： 775-784.（in Chinese）

[11] 王騰躍，張健，倪尉翔.管線末端含虹吸斷流結構的輸水工程水錘防護[J].南水北調與水利科技（中英文），2021，19（2）：358-364.

WANG Tengyue， ZHANG Jian， NI Weixiang. Water hammer protection in water conveyance project with siphon breaking structure at end of pipeline [J]. South-to-north water transfers and water science ＆ technology， 2021， 19（2）： 358-364.（in Chinese）

[12] 吳鑫昊，蘇沛蘭，吳建華，等.郭壁改擴建供水工程水力過渡的數值模擬[J].水電能源科學， 2022，40（6）：110-113.

WU Xinhao， SU Peilan， WU Jianhua， et al. Numerical simulation of hydraulic transition of Guobi reconstruction and extension water supply project [J]. Water resources and power， 2022， 40（6）： 110-113.（in Chinese）

[13] WAHBA E M. Derivation of the differential continuity equation in an introductory engineering fluid mechanics course[J]. International journal of mechanical enginee-ring education， 2022（2）：50.

[14] KOPTEV A V. Method for solving the Navier-Stokes and euler equations of motion for in-compressible media[J]. Journal of mathematical sciences， 2020， 250（1）：10-21.

[15] DU H M， LIU Y L. Algebraic equation of motion approach for solving the Anderson model[J].Chinese Physics B， 2023， 32（4）： 047501.

（責任編輯 朱漪云）