长距离输水管线水锤防护措施技术探讨

摘　要：长距离输水管线中水锤防护具有重要的意义，本文介绍了几种常见水锤防护措施，并以张家口云州水库调水工程为例，着重介绍缓冲排气阀和箱式双向调压塔在工程的作用

关键词：长距离 ；水锤防护 ；缓冲排气阀 ；双向调压塔

1.引言　　
　　我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量很低。有些地区水已成为制约经济发展的“瓶颈”。新中国成立以来，随着工农业的发展，科学技术的进步，我国兴建了40多万处泵站工程。已建和正在修建的许多大型泵站工程，向几十公里甚至更远的地方供水。
　　在长距离输水工程中，对泵供水系统安全危害较大的是水锤事故，不少工程因水锤而遭受严重破坏。水锤事故的成因不同，产生危害也不同，有的造成压力管道破坏(即爆管)，有的造成泵房被淹，有的设备被打坏，伤及操作人员等，给正常的生活的生产带来了严重的影响和经济损失。由于泵站工程在国民经济建设中作用重大，其安全经济运行也备受人们重视。
2.水锤的基本理论
2.1 水锤的基本概念
　　当压力管道中液体的流速因某种外界原因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强迅速交替升降，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管件上就像锤击一样，故称这种现象为水锤，也称为水击或水利过度过程。
　　从不同的角度划分，水锤可分为四种：1、按管阀历时Ts与水锤相μ的关系，分为直接水锤和间接水锤两种；2、按水锤成因的外部条件，分为启动水锤、管阀水锤和停泵水锤三种；3、按水锤水力特性，分为刚醒水柱(锤)理论和弹性水柱(锤)理论两种；4、按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象(无水柱分离)和伴有水柱分离的水锤现象(断流空腔再弥合水锤)。
2.2 水锤计算的数学模型及计算方法--特征线法
　　水锤计算是对整个输水管道系统进行计算分析，包括管道内点及与管道连接的水池、阀门及其它过流元件。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：
　　　　　　　(2-1)

　　
　　图2-1  x-t坐标系中的水锤特征线

3.停泵水锤防护措施
3.1 防护措施
　　泵系统中停泵水锤这一水利过渡过程是由降压开始的。因此，目前已有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的水锤升压问题，其出发点多数是建立在对停泵水锤危害的早期防治上并大致可归纳为四种类型：
　　注水(补水)或注空气(缓冲)稳压，从而控制住系统中的水锤压力震荡，防止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。属于这种类型的有单向调压塔或单向调压(水)池、空气罐、注空气(缓冲)阀以及(双向)调压塔等。
　　合理选择阀门种类，延长其启闭历时--进行阀门调节与控制。阀门缓慢地关闭和开启，可减少输水干管中流速的变化率--梯度，从而可以减小水锤压力的升高和降低。为此，可选用(对较重要的泵系统，必须进行计算机动态模拟和方案比较)两阶段关闭的可控阀(如蝶阀)或各种形式的的缓闭止回阀。
　　泄水降压，避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、防爆膜、设置旁通管以及取消止回阀等。
　　其他类型。例如选用转动惯量大的水泵机组或增装惯性飞轮、在较长的输水管路中增设止回阀等。
3.2 工程实例
　　本文着重介绍箱式调压塔和缓冲排气阀的的降压效果，以张家口云州水库调水工程干线三级泵站为例：
3.2.1 工程基本概况
　　张家口云州水库调水工程，干线设计流量为0.6m³/s,支线设计流量为0.40.6m³/s。工程主要由输水管线组成。
　　输水管线起点管底高程1044.90m，出水口底高程2067.87m，管线进出口自然落差约1023m。输水管线采用埋地式DN800(干线段)和DN600(支线段)螺旋钢管，单管输水。输水管线设计总长约6.75km。该工程属于长距离、高扬程、多起伏、大管径 输水工程，属于水泵加压与重力流结合供水工程，按照设计规范并结合历来多数工程实际，长距离供水管线的管径在0.4米以上就一般进行水锤计算。
    不采取任何措施
　　管路不采取其它防护措施时，水泵出口(桩号6+050)缓闭止回阀快关角度为60°时，闭合流速为3m/s，快关3s，总关60s关阀时间组合下管路中水锤最大水头包络线和最小水头包络线压力的变化情况如下图1中(1)所示：
 　　

　　 (1)
    结论：在缓冲闭合流速为0.3m/s时，水锤升压极高，超出管道承压范围，对安全运行存在极大隐患。
在指定桩号处安装缓冲排气阀
　　缓冲排气阀闭合流速为0.3m/s，水泵出口(桩号6+050)缓闭止回阀快关角度为60°时，快关3s，总关60s关阀时间组合下管路中水锤最大水头包络线和最小水头包络线压力的变化情况如下　　图(2)所示：
　　
　　(2)
　　结论:由图(2)中可以看出：缓冲闭合流速0.3m/s，关阀角度60°，当快关时间为3s，总关时间为60s时，水锤升压极高，超出管道承压范围，安全隐患仍然很大，由此可见缓冲排气阀的降　　压效果不明显。
　　在指定桩号处安装箱式双向调压塔
    缓冲排气阀闭合流速为0.3m/s，水泵出口(桩号6+050)缓闭止回阀快关角度为60°时，快关3s，总关60s关阀时间组合下管路中水锤最大水头包络线和最小水头包络线压力的变化情况如下    　图(3)
　　
　　 (3)
　　结论:由图(3)中可以看出：在桩号7+100处安装双向箱式调压塔。缓冲闭合流速0.3m/s，关阀角度60°，当快关时间为3s，总关时间为60s时，所有管段的水锤升压都降低至1287~1308米，降压效果很明显，管道中的压力很稳定，调压塔的降压效果比较明显。
4.1总结
　　在以上的工程中，采用调压塔和缓冲排气阀相互配合的降压效果比较好，对管道的安全运行起到了保护的作用。在不同的情况下，要根据不同的地形、高差、管材、管径以及当地的气温来采取不同的防护措施，保证输水管道的正常运行。
参考文献:
[1] 朱满林 张言禾 王涛.泵供水系统水锤防护，2007.3.
[2] 金锥 姜乃昌 汪兴华 关兴旺.停泵水锤及防护，2004.11.