郎　颖

(抚顺市水利勘测设计研究院， 辽宁 抚顺　113008)



高扬程多起伏长距离供水工程水锤计算分析

郎颖

(抚顺市水利勘测设计研究院， 辽宁 抚顺113008)

以抚顺市补水泵站输水管路系统为例，对管路系统水锤进行分析计算，根据计算结果，提出了有效防止水锤发生的防护方案，保证了管道系统的安全运行。

输水管道； 水锤； 计算； 防护

随着中国经济的快速发展，城市规模逐渐扩大，生产、生活对水的需求量也越来越大。然而由于水资源在时空分布上的不均衡和日益严重的污染等问题，造成了区域内水的供需矛盾日益严峻[1-2]。因此，中国规划建设了一些长距离的输水工程，主要有明渠和管道两种[3]。在长距离的输水工程中，地形往往比较复杂，地势通常也有很大的起伏，而且由于输水的距离很长。管道中的水流在压力的作用下通常处于非稳态的状态，在管道拐弯或变径等部位水流会发生流速的急剧变化[4]。在惯性的作用下水流也会造成管道内压力急剧变化，发生水锤现象。随着长距离输水管道的逐渐增多，如何避免水锤现象引发事故，就成为了保证泵站、管道及沿线安全的重要内容。因此在对输水管道中的流态特点、水锤发生的机理和水锤的防护特点等方面研究的基础上，通过水锤计算的基本理论和方法，以抚顺市输水工程为例，进行输水管路系统的水锤分析计算，对保障输水系统的安全运行、地方水源系统的稳定和地方经济发展及社会稳定具有重要意义。

1　水锤防护特征分析

1.1输水管道流态特点

长距离的输水管道通常具有扬程高、流量大、管线长、压力大、沿线起伏多等特点。压力输水管道中的水流在不同的工况下往往呈现出不同的复杂状态，为研究带来了很大的困难。因此根据流体运动的特点和基本规律，将输水管线的纵断面分为升坡段、水平段、降坡段、高点、低点和变陡点。根据气液两相流理论，压力输水管道中水流状态可以分为层状流、波状流、段塞流、气团流、泡沫流和环状流。输水管线在不同工况下的水流流态和气水流向之间的关系如下表所示。

管道水流流态和气水流向关系表

根据表1和气液两相流的理论，充水工况下，压力管道水平段通常呈现为层状流，其次为波状流，最后为段塞流，特殊条件下会出现气团流、泡沫流和环状流等不稳定的流态，这三种流态最终会转变为段塞流；泄水工况下，管道中的流态基本都是层状流，偶尔出现波动流；正常运行工况下，管道中依次为气团流、泡沫流和段塞流，由于气团流和泡沫流不稳定，最终管道中会呈现段塞流形态。在有水锤现象等特殊条件下，管道中会出现气团流、泡沫流以及环状流等交替出现的复杂情况。在升坡段的管道最高点、降坡段的管壁、水平段的管顶内壁和管道变陡点等处，会出现气囊，严重时会阻断水流。

1.2输水管道水锤防护特点

长距离输水管道通常是依靠水泵将水在管道中输送的，因此在进行水锤防护时，需进行启泵和停泵水锤防护，还要进行管道水锤防护。在输水管道未充满水或停泵时管道内水排空的情况下，启动水泵，由于管道中的空气不能及时排出，会使管道中的压力水头急剧变化，形成水锤现象[4]。在突然停电或其他原因造成水泵运行时不能继续正常工作，管道内水流速度会产生急剧的变化，加之管道中的空气不能及时排出，水流发生压力急骤交替升降，形成水锤。压力输水管道在突然停泵或关阀后，其内的水流流速急剧变化，会在管道内产生一系列的压力急剧升降的波动过程，形成水锤。一般有升压破坏、降压破坏和先降压破坏再升压破坏等破坏形式。

2　水锤计算基本理论

2.1水锤微分方程式

按照弹性水柱及其相关理论，水锤基本微分方程式由运动方程和连续方程组成，能全面地反映压力管道中非恒定流的运动规律，基本方程见公式(1)和公式(2)。

运动方程式：

(1)

连续方程式：

(2)

式中H——管路系统中某结点的水头，m；

f——管路摩阻系数；

V——管内流速，m/s，流向阀门为正；

α——管路与水平面的夹角；

a——水锤波的传播速度，m/s；

x——位置坐标，指向阀门为正。

由于式(1)和式(2)比较复杂，在实际工程中往往难以利用，实际情况下当压力管道内发生水锤现象时，水锤的波速通常要远远大于水的流速，此时可以忽略水的流速影响，此外只考虑水锤引起的升降压时，高差引起的水头变化也可忽略，这样上述两个公式就可以简化为式(3)和式(4)的形式。

运动方程式：

(3)

连续方程式：

(4)

2.2特征线法

特征线法是指将流动暂态的偏微分方程式，利用斜率固定不变的特征线，转化为特定形式的全微分方程式组，然后对全微分方程式组进行积分，得到有限差分方程式，然后根据管路系统的各种边界条件，通过编制计算机程序进行分析计算的方法[6]。特征线方程：

(5)

(6)

在实际工程中，管道内水流流速远远小于水锤的波速，因此可以忽略流速项的影响，上述特征线方程组可以简化为：

(7)

(8)

3　工程实例分析

3.1工程概况

抚顺市补水泵站输水管路系统为水库至自来水厂的压力输水管线，扬程高，管线沿线地形起伏大。供水的总高差为156m，设计流量0.2m3/s，线路管道全长8.5km，泵站前水池水位标高1897m，输水管道末端出水口中心标高2053m。水泵型号：SLOW250-610×2B；电机型号：Y500-4 (IP23-800kW-10kV)；额定扬程180m；额定流量0.3m3/s；额定转速1480r/min；额定效率81%。管道材料的弹性模量2.1×1010Pa，体积弹性系数2.1×109kg/m3，管道内水锤波的传播速度500m/s。

3.2管路系统水锤分析计算

在水锤分析计算之前，首先对具体管道纵断面布置及稳态运行压力线进行推算，结果如图1所示。

图1　管道稳态运行工况压力分布

本次主要分析了以下几种情况下管道内的水锤包络线：ⓐ只在管道末端安装缓闭止回阀，其快关角度为70°，快关时间为10s，总关时间为120s，此情况下的水锤包络线如图2所示；ⓑ制定桩号处(0+136、0+817、1+570、2+350、3+033、3+984、4+520、5+275、5+955、6+631、7+330、8+380)安装缓冲排气阀，在管道末端安装缓闭止回阀，其快关角度为70°，快关时间为10s，总关时间为120s，缓冲闭合流速0.5m/s，此情况下的水锤包络线如图3所示；ⓒ管道缓闭止回阀的位置和参数与前两种情况相同，另外在桩号6+200处安装超压泄压阀，此情况下的水锤包络线如图4所示；ⓓ管道缓闭止回阀的位置和参数与前几种情况相同，沿管道每间隔800m安装缓冲阀，缓冲闭合流速0.5m/s，另外在桩号6+200处安装箱式双向调节塔，此情况下的水锤包络线如图5所示。

图2　管路末端安装缓闭止回阀时的水锤包络线

图3　指定桩号安装缓冲排气阀时的水锤包络线

图4　指定桩号安装超压泄压阀时的水锤包络线

图5　指定桩号安装箱式双向调压塔和缓冲排气阀时的水锤包络线

由图2可知，只在管路末端安装缓闭止回阀时，会导致断流弥合水锤升压，其升压在2100m以上，升压超过管道的承压范围，爆管的概率大大增加，必须采取其他防护措施。由图3可知，在缓冲闭合流速0.5m/s时，管道后段部分压力小于其承压值，其余管道的断流弥合水锤升压仍然较大，缓冲排气阀起到的作用有限，管道的升压仍未达到管道的承压范围以内，仍需采取进一步的防护措施。由图2和图3对比可知，安装缓冲排气阀后最大水锤升压有一定的降低，管路的负压状况得到了改善，消弱了断流弥合水锤形成的负压。

由图4可知，在双向调节塔附近管段的最大水锤压力明显降低，但其他管段的部分最大压力仍然超过管道承压值且变化比较剧烈，在停泵时极易爆管，且仍然存在弥合水锤升压。还需增加其他防护措施。

由图5可知，管道内水锤升压变化基本相同，最大水锤压力均在2100m以下，已小于管道承压值，且最低压力也高于中心线标高，全线基本无负压，能平稳安全地运行，说明缓闭止回阀、缓冲排气阀和箱式双向调节塔能有效地降低管道的最大水锤升压和防止断流弥合水锤。

4　结　论

对抚顺市补水泵站输水管路系统采取不同防护措施的分析表明：只在管路末端安装缓闭止回阀时，会导致断流弥合水锤升压，升压超过管道的承压范围；安装缓冲排气阀起到的作用有限，管道的升压仍未达到管道的承压范围以内，最大水锤升压有一定的降低，管路的负压状况得到了改善；在超压泄压阀附近管段的最大水锤压力明显降低，但其他管段的部分最大压力仍然超过管道承压值且变化比较剧烈；安装缓闭止回阀、缓冲排气阀和箱式双向调节塔，管道内最大水锤压力已小于管道承压值，说明能有效地降低管道的最大水锤升压和防止断流弥合水锤。

[1]杨树红.乌鲁瓦提水电站抗磨蚀防护技术探讨[J].中国水能及电气化,2013(7):34-38,46.

[2]杨宇.长距离有压输水系统防水锤设计探析[J].水利建设与管理,2015(9):35-37.

[3]马晓立.新疆福海县小洼漕草料基地建设项目中自压滴灌技术的应用[J].水资源开发与管理,2015(3):70-72,28.

[4]栾俊亮,伏世红,宿祺.太平湾供水工程水锤数值模拟分析[J].东北水利水电,2015(5):6-7,71.

Analysis on water hammer calculation of high lift long-distance water supply project with many ups and downs

LANG Ying

(FushunWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Fushun113008,China)

Fushun filling water pumping station water conveyance pipeline system is adopted as an example for analyzing and calculating water hammer of pipeline system. Protection plan for effectively preventing water hammer is proposed according to calculation result, thereby ensuring safety operation of pipeline system.

water conveyance pipe; water hammer; calculation; protection

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)09- 0036- 06