某泵压输水工程初次充水水锤分析及防护措施研究

榆林学院学报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＹＵＬＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

Ｎｏｖ.２０１８Ｖｏｌ.２８Ｎｏ.６

某泵压输水工程初次充水水锤分析及防护措施研究

董　茹ꎬ闫翻辽

(榆林学院建筑工程学院ꎬ陕西榆林７１９０００)

摘　要:长距离输水工程初次充水时ꎬ管道中含有大量气体ꎬ极易产生水锤升压ꎬ本文以某特殊的长距离低扬程多起伏大管径输水管线工程为例ꎬ研究泵压输水工程初次通水过程中的充水工况、启泵工况、停泵后再启泵工况等水锤分析及防护ꎬ结果表明:如果不采取排气等防护措施ꎬ整个管路系统发生水柱中断ꎬ并引发较大的弥合水锤升压ꎬ必须采取排气及具有负压注水超压泄压的双向调压塔才能使管线运行安全ꎬ研究结果可为类似工程提供了参考ꎮ

关键词:泵压输水工程ꎻ初次充水ꎻ断流水锤ꎻ弥合升压ꎻ防护

中图分类号:ＴＨ３８　文献标志码:Ａ　文章编号:１００８－３８７１(２０１８)０６－００４３－０４ＤＯＩ:１０.１６７５２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊｙｌｕ.２０１８.０６.０１１

　　泵压输水管线初次通水过程是一个动态的水力过渡连续过程ꎬ并且管道中流态是含有水、气等的多相流[１]ꎮ管道初次充水过程中ꎬ由于管道内长时间存有气体ꎬ如果在充水时不能及时排尽空气ꎬ将会在管道中产生持续的压力振荡ꎬ当足够量的气体聚积在管道某处时ꎬ将迅速的截断此处管道的过水断面ꎬ在此处发生水柱拉斯ꎬ进而产生断流再弥合得水锤升压[２]ꎮ而新建的水泵加压输水管道工程在初次充水工况、检修或停运后再次启动工况、流量调节工况、突然停泵后再启泵工况等工况下发生的水锤一般均为含气型断流弥合水锤[３]ꎮ理论分析表明ꎬ断流水锤产生的压力升高可达几兆帕ꎬ足以破坏一般输水管道[４]ꎮ因此ꎬ本文结合某长距离低扬程多起伏大管径工程实例对其稳定运行工况、充水过程启泵工况、停泵后再启泵等工况进行水锤分析ꎬ并结合输水管路和泵站具体情况ꎬ提出合理的防护方案ꎮ１工程基本概况

某长距离低扬程多起伏大管径输水工程系统图如下图所示:

１.１管线基本情况

该工程管线起点Ａ(００００)是取水泵房ꎬ终点Ｅ是４号净水厂(３１７５０)ꎬ沿途在Ｂ(１２７００)、Ｃ(１４８００)、Ｄ(１５４５０)分别分支出三条管线分别至１号、２号、３号净水厂ꎮ输水管道材质为ＰＣＣＰ管ꎬ其中ＡＣ段为两条ＤＮ１８００给水管同槽铺设ꎬＣＤ段为一条ＤＮ１８００给水管ꎬＤＥ段为ＤＮ１６００给水管为应急分支ꎬ全线ＡＥ单管总长度为３１７５０ｍꎮ输水管高程趋势线如图２所示ꎮ

１.２水量压力情况配水点名称泵站点

图２　输水管线趋势图

表１各配水点流量、出口压力

流量(万ｍ３/ｄ)

６７.５６５.３

(６７.５６万ｍ３/ｄ)

出口压力(ｍ)

４６.５４１.４２

图１　工程系统图

收稿日期:２０１７－１２－２０

基金项目:农业压力输水管道防漏防爆节水措施研究(２０１６ＣＸＹ－０７)

１＃净水厂

作者简介:董茹(１９８７－)ꎬ女ꎬ陕西榆林人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ主要从事长距离压力输水管道水力过渡研究ꎮ

􀅰４４􀅰２＃净水厂３＃净水厂１.３水泵资料４＃净水厂

１１.８９２８.３０２０

榆林学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　２０１８年第６期(总第１４０期)

３９.１０３７.６０１２.６０

２.３充水水锤分析

计算历时:１０００ｓꎮ

２.３.１管线稳定运行各流量工况水锤分析

由图２输水管线趋势图可以看出来ꎬ该输水管

线起伏变化很大ꎬ尤其是在桩号１２０００之后的后半表２水泵数据参数单位

数值水泵型号

ＫＱＳＮ７００数值/ｈＭ１４４７００

/６３９－名称单位飞逸

转速

ｒ.ｐ.ｍ１８００额定流量ｍ３工况点

效率

％８９额定扬程ＭＰａ４３轴功率

Ｋｗ６１０额定转速ｒ.ｐ.ｍ９８０

电机

功率Ｋｗ

８００

２.２充水各工况水锤分析及防护措施研究

１充水水锤分析必要性

本工程管道距离长ꎬ为３１７５０ｍꎬ属于长距离输

水管线Ｂ、Ｃ、Ｄꎻ变径为三处放水点设计输水量大ＤＮ１６００ꎻ管道起伏大ꎻ管径大ꎬ为６７.、ꎬ且在５６万尤其在桩号Ｄｍ３点由/ｄꎻＤＮ１８００中途有１２０００ｍ往后的后半段ꎬ多起伏、且起伏大ꎻ属大型水利工程ꎮ最为特殊的是本输水管线距离长ꎬ但是扬程有偏低ꎬ且两端低、中间高ꎬ在充水过程中是极易发生断流弥合水锤的ꎬ其输水管道安全性非常难保证ꎮ理论和实践都表明ꎬ断流弥合水锤产生的压力升高极大ꎬ足以破坏输水管道系统ꎮ如果一旦发生爆管事故ꎬ不但抢修费用很大ꎬ还要延长通水试验时间ꎬ影响供水目标的实现[５]析和防护是保证管道安全的重要前提ꎮ因此ꎬ加强管道充水断流水锤的分ꎮ

本文结合工程实例要考虑输水管道初次充水稳定流等各种工况ꎬ并根据管道高差ꎬ管道距离长短、管道布置形式、管中水流形态和管道附件的性能等因素[３]进行对管道初次充水过程进行水锤电算分析ꎬ预测产生断流水锤的可能性及其危害程度ꎬ并提２.出合理的防护方法等２水锤电算分析参数ꎮ

利用特征线法ꎬ对某长距离多起伏大管径输水

管道主干线Ｄ情况编制水锤电算程序三点为放水口ＡＥ进行初次充水水锤分析ꎬ管道发生多处变径ꎬ相关参数如下ꎬ根据管线实际ꎬ途中Ｂ、Ｃ、:

水锤波速:管材为铸铁管ꎬａ近似取１０００ｍ/ｓꎻ泵出口处缓闭止回阀采用快慢两阶段关闭:快３１７５０ｍꎬ关１０ｓ关水锤相为６０°ꎬ总关μ１２０ｓꎮ＝２Ｌ/ａ本工程＝６３.５ｓꎮＡＥ因此主干线全长

阀均不产生直接水锤ꎮ

ꎬ１２０ｓ关段ꎬ且在２１５００、２３８００、２７８００等几处高程较高ꎮ在

正常运行时要能保证管线任意位置点都不出现负压ꎬ才能保证管道系统的安全的运行ꎮ

本系统最大运行工况为６台水泵同时开启ꎬ依据水泵全特性曲线及管路的特性曲线相交的工况点ꎬ进行水力计算ꎬ分别按２~６台水泵同时开启运行时管道全线未出现负压ꎬ但是当２台水泵同时运行时ꎬ在桩号２３３００高点处产生了负压ꎮ因此ꎬ正常工况下ꎬ不同流量调节时ꎬ当两台水泵同时运行时ꎬ为保证在桩号２３５００处不出现负压ꎬ必须在管道末２.端采取保压措施３.２启动水泵工况水锤分析计算ꎬ管道才能稳定运行ꎮ

由于本管道工程为距离较长、扬程低、管径大且

起伏多ꎬ在初次充水流量变化时ꎬ极有有可能在管道高处发生水柱中断ꎬ随即产生断流弥合水锤ꎮ因此ꎬ必须全面分析管道初次试通水工况ꎬ停水检修工况和突然停泵后再启泵工况等是否会产生断流弥合水锤ꎬ以及采取相应的防水锤措施ꎮ

初次试通水为开启三台水泵进行管道充水ꎬ不采取任何防护措施时ꎬ其压力曲线如图３初次试通水时断流水锤升压曲线:

由图３可见ꎬ初次试通水工况ꎬ不采取任何防护措施时ꎬ管道中不安装控制流量和进排气的设备ꎬ因充水速度高或排气不畅造成管中气囊压力震荡或气堵等ꎬ管道全线发生断流弥合水锤ꎮ管道最大水锤压力升高达３６０ｍ水柱ꎬ大部分管段水锤压力升高在１６０ｍ水柱以上ꎬ远超过管道承压值ꎮ

图３　初次试通水无防护措施时断流弥合水锤升压曲线

由图４可见ꎬ在采取排气及稳压防护措施后ꎬ管道全线未发生水柱中断ꎬ管道全线的水锤压力稳定在１０~７０ｍ水柱之间ꎬ在管道允许承压０.６ＭＰａ的

董　茹ꎬ闫翻辽:某泵压输水工程初次充水水锤分析及防护措施研究

􀅰４５􀅰

首先ꎬ在水泵出口安装缓闭止回阀ꎬ缓闭止回阀为快慢两阶段关闭ꎻ

气阀[６]ꎬ并结合本工程沿线起伏大且多ꎬ综合考虑６３３５、６７８０、７３３５等桩号处设置５３处安装排气阀由上述水锤分析可以看出在不采取防护措施时ꎬ全线在不同时刻均出现水柱中断ꎬ且引起很高的断流弥合水锤升压ꎮ而且ꎬ水锤电算分析表明:在水泵出口其次ꎬ根据相关规范要求１ｋｍ左右安装一台排

范围之内ꎬ管道全线运行安全稳定ꎮ

２４３３、２６３２、３０３１、３４３０、３８２０、４３３５、４８８０、５６８１、

管线趋势等因素管路中０４１０、０９５０、１７００、１９４５、

图４初次试通水时采取防护措施时断流弥合水锤升压曲线

２.３.３当管道突然停泵后再启泵停泵后再次启泵时断流水锤计算ꎬ不进行流量控制ꎬ不

排尽气体就加大流量ꎬ管道发生断流弥合水锤ꎬ其升压曲线如下图５停泵后再次启泵时无水锤防护措施断流水锤升压曲线图:

图５停泵后再次启泵时无水锤防护措施时断流水锤升压曲线图

由图５可见ꎬ停泵后再次启泵时ꎬ在不采取水锤防护措施的情况下ꎬ管道全线也是产生断流弥合水锤ꎮ管道最大水锤压力升高达３９０ｍ水柱ꎬ大部分管段水锤压力也在１５０ｍ水柱以上ꎬ远超过管道承压值ꎮ

图６停泵后再次启动水泵有防护措施时断流水锤曲线图

由图６可见ꎬ在采取排气阀排气与箱式双向调压塔稳压防护措施后ꎬ管道全线未发生水柱中断ꎬ管道全线水锤压力稳定在１０~７０ｍ水柱之间ꎬ在管道允许承压０.６ＭＰａ范围之内ꎬ管道全线运行安全稳２.定４ꎮ

水锤防护措施分析处安装缓闭止回阀、指定桩号点安装缓冲排气阀的防护措施不能降低管道全线的水锤升压ꎬ如图７所示ꎬ必须再进一步采取有效的防断流的水锤措施ꎮ

图７　缓闭止回阀＋缓冲排气阀防护措施时断流水锤曲线图

１７５００ꎬ２１７００最后ꎬ在水泵出口处分别安装箱式双向调压塔５０ｍ内及桩号１２９００ꎬ１５１００ꎬ

[７]双向调压塔具有超压泄水ꎬ当管道内出现负压时ꎬ箱式ꎬ箱式双向调压塔的箱体内水迅速补水至管道内ꎬ防止管道中产生水柱拉断ꎬ进而引起断流再弥合的水锤升压ꎮ对最难防护的速升压类型水锤ꎬ比如关阀水锤、含气型断流水锤停泵水锤、气囊振荡水锤等ꎬ箱式双向调压塔具有直接动作ꎬ预防水锤的良好效果ꎮ

图８　缓闭止回阀＋缓冲排气阀＋箱式双向调压塔防护措施时断流水锤曲线图

如图８为采用缓闭止回阀、排气阀和箱式双向调压塔组合措施下的管线水锤升压曲线ꎬ可以看出ꎬ基本未未见水柱拉断(稳定管道承压值为ꎬ管道压力稳定在承压范围内ꎮ

０.６ＭＰａ)ꎬ管道系统运行安全非常􀅰４６􀅰３结论

榆林学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　２０１８年第６期(总第１４０期)

后ꎬ各工况的水锤均能将至管道的承压范围内ꎬ可保证输水工程运行安全ꎮ通过水锤分析可以看出对于容易产生断流弥合水锤的管线ꎬ有效的水锤防护措应该是能够预防发生断流弥合水锤ꎬ比如采取具有负压补水ꎬ超压泄压的双向调压塔或箱式双向调压塔等来防水锤[８]ꎬ保障输水管线安全全通水ꎬ而且实际工程使用证明ꎬ箱式双向调压塔的水锤防护效果非常好ꎬ能实现负压注水先出断流弥合水锤及超压放水泄压的作用[９]ꎮ但是ꎬ值得注意的是ꎬ在程序电算过程中ꎬ调整双向调压塔的安装位置ꎬ其水锤防护效果不同ꎬ后续我们的研究重点也将是如何确定调压塔的最佳安装位置ꎬ以期达到最佳防护效果ꎮ

对于像本工程这样特殊的输水管线ꎬ为保证初

次安全充水ꎬ避免水锤发生ꎬ必须对充水各工况进行详细的水锤分析ꎻ本文进行了稳定工况、初次充水工况、检修或停运后再次启动工况、流量调节工况、突然停泵后再启泵工况等水锤全面分析ꎮ结果表明:在上述各工况中ꎬ当管线不采取防护措施时ꎬ由于排气不畅并发生断流弥合水锤ꎬ水锤升压都在３００ｍ水柱左右ꎬ超出管线承压能力的５倍ꎬ破坏性极大输水工程的安全运行令人担忧ꎮ

因此ꎬ输水管道的水锤防护尤为重要ꎬ采取缓闭止回阀＋缓冲排气阀＋箱式双向调压塔的防护措施参考文献:

[１]杜玉柱ꎬ陈涌城ꎬ李文秋ꎬ等.哈尔滨磨盘山输水工程通水试验介绍[Ｊ].给水排水ꎬ２００９ꎬ３５(１０):１２－１４.[２]杨玉思.城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程[Ｍ].北京:中国计划出版社ꎬ２００５.

[３]董茹.某距离低扬程大管径多起伏有压输水工程水锤分析及防护技术研究[Ｄ].西安:长安大学ꎬ[４]刘竹溪ꎬ刘光临.泵站水锤及其防护措施[Ｍ].北京:水利水电出版社ꎬ１９９５.

[５]美玲ꎬ王春艳ꎬ高金良ꎬ等.重力流长输管道初次通水方案优选研究[Ｊ].中国给水排水ꎬ２０１３ꎬ２９(９):４９[６]刘竹溪ꎬ刘光临.泵站水锤及其防护[Ｍ].北京:水利电力出版社ꎬ１９８８.

[７]徐艳艳.长距离高扬程对起伏输水管道采用箱式双向调压塔等措施的水锤防护研究[Ｄ].西安:长安大

学ꎬ２００８.

[８]贝丽克孜􀅰亚森.长距离压力输水管道水锤防护方案分析[Ｊ].水利科技与经济ꎬ２０１６ꎬ２２(６):６３－６６.[９]高凤ꎬ王鹤ꎬ张博.箱式双向调压塔在长距离压力流输水系统中的水锤防护研究[Ｊ].净水技术ꎬ２０１４ꎬ

３３(ｓｌ)ꎬ７５－７７.

(责任编辑:杨　飞)

－５１.２０１２.

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