1、高扬程长距离输水管线停泵水锤分析与防护安荣云 1 陈乙飞 2（1 上海理工大学城市建设与环境工程学院 上海 200090； 2 深圳市华力大机电技术有限公司 深圳 518034）摘要： 借助 surge2008 软件，结合某实际工程，得出了停泵水锤综合解决措施。结果显示，对于长距离加压输水管路系统而言，止回阀的关阀方案、弥合水锤的针对性防护措施以及水击防护阀的功能和口径选择是非常重要的。关键词： 水击泄放阀、断流弥合水锤；数值模拟；水锤防护；注气微排阀近年来，长距离翻山越岭的输水项目越来越多。这些扬程高、距离长、管线多起伏的加压输水管线系统，瞬态水力特性比较复杂，泵站与管线的水锤综合防护是一个
2、值得研究的重大课题。近几年，笔者参与了多个此类工程的水锤分析和现场调试，积累了一些经验和看法，在此与大家共享。1 工程概况南方某长距离输水工程总设计流量 0.07m3/s，管长总长约 22km，采用 DN300 的钢管进行单管输水，水锤波速为 1171.6m/s。水锤相 A65#节点发射 174542/1171.612.72S ；或 A114#节点发射 2122422/1171.620.9S。吸水池水位 339 m， 水泵 200m 70L/S 一台；最高节点 A065高程 493 米（7454 米处） ；次高节点 A114 高程 483.8 米（ 12242 米处） 。止回阀处最大静压：Z4
3、93-340 153m。末端节点 A186 标高 363m; 末端水池水位 365.8m。由末端调节阀调节系统流量，使水泵和管线工作在设计状态，结果形成末端余压 102m，需要减压调流，还需要分析计算末端调节阀的开阀水锤和关阀水锤，以及可能的调节水锤，限于篇幅，本文不讨论这个也需要认真对待的比较复杂的技术问题。经调节后管路系统的稳态水力坡度线如图 1 所示。流速 V=0.9m/s， 水力坡度 i=3.05。请注意图 1 所示的节点编号。0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 2200034036038040042044
4、0460480500520540 图 稳 态 水 力 坡 度 线 : 1 70L/s 200m高程mA10A15 A18A32 A37 A45A65 A114A48A13A70A72A93A142A161A171A175A179末端余压102m最 高 节 点 稳 态 富 裕 水 头 瞬 态 时 仅 仅 拉 空 但 没 有 形 成弥 合 水 锤 可 以 安 装 复 合 式排 气 阀 +16.6mDN50 50+1.6 次 高 节 点 稳 态 富 裕 瞬 态 时 仅 仅 拉 空 但 没 有 形 成 弥 合 水 锤 可 以 安 装复 合 式 排 气 阀11mDN50+50+1.6末 端 调 节 阀开
5、 度 21 水 平 距 离 -mA26最 低 节 点第 一 高 峰空 腔 弥 合 水 锤发 生 源第 二 高 峰第 三 高 峰第 四 高 峰 第 五 高 峰局 部 高 峰需 要 安 装复 合 式 排 气 阀第 六 高 峰2. 瞬态水力分析2.1 数值计算求解方法水锤模拟计算软件为美国 KENTUCKY 大学的 surge2008，水锤波的特征方程为基于弹性水柱理论的两个基本方程：（1）连续方程 2LHcQtgAx（2）动量方程 1()Lfxt两个非线性偏微分方程的数值求解方法为拉格朗日“波特性法”（Wave Characteristic Method，简称 WCM） ，以瞬态管流源于管道系统水
6、力扰动中的压力波的发生和传播这一物理概念为理论基础，通过追踪水锤波的发生、传播、反射和干涉，计算各节点不同时段的瞬态压力值。在 Journal AWWA 上发表的多篇论文中，Wood 教授对波特性法作了详细的论述，并通过数值模拟及工程验证对该方法与特征线法做了大量对比。结果显示， “波特性法”与特征线法具有同等的准确性，两者的计算结果完全吻合。鉴于波特征法的特殊计算理论基础，它又具有征线法所不具备的高效计算速度。2.2 水锤分析计算停泵水锤的数值计算针对的是事故断电水泵开阀停车这种最不利的工况。在停泵水力过渡过程中，泵后止回阀的关闭程序对泵站管路系统的瞬变特性具有十分重要的影响（但也有例外，即
7、影响不敏感） ，关闭的快慢与管线压力的变化、水泵倒流和倒转速有直接的关系，我们选择下面三种止回阀的关阀方案进行试算：A：3S 快闭 95，26S(2 1)缓闭 5，偏向于快闭的二阶段关阀方案；B: 3S 快闭 95，10S(0.8 1)缓闭 5，接近于投产后的实际运行工况；C: 5S 快闭 90，64S(5 1)缓闭 10，偏向于缓闭的二阶段关阀方案；经计算，停泵后，次高节点和最高节点很快出现水柱分离现象，且分离水柱不具备弥合的条件，故先在这两个节点分别安装 DN50+50+1.6mm 三功能复合式排气阀，消除真空，再进行各方案试算。（1）止回阀关阀方案 A图 2 为事故停泵后止回阀节点的水击
8、压力历时曲线，图 3 则为整条管线的水击包络线。可知，第 63 秒时，止回阀出口压力达到最大值 317m，升压比 58.5%。图 2 方案 A 止回阀节点水击压力历时曲线0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220一一-S-50050100150200250300350一一-m一4 一一A 一一一一一一一一一一一一一 一一313m35s 一一一一一一317m63s 一一一一一一一一一一一一一一Outlet Inlet图 3 方案 A 整条管线的水击包络线0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4 1.2E+4 1.4E+4 1.6E+4 1.
9、8E+4 2.0E+4 2.2E+4一一一一一一350400450500550600650一一一一一5 一一A 一一一一一 一一一一113m一一一一一一一一 一一一一一一 一一一一一图 4 方案 A 水泵流量历时曲线0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220一一-s-40-20020406080Flow (liters/sec)一6 一一一一一一一 一一一一一-33.9l/s7.5s 一一一一一28s图 5 方案 A 水泵转速历时曲线-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200一一-S-1000-5000500100
10、01500rpm一7 一一A 一一一一一一一一一一一一一 -847rpm 一一一30s （2）止回阀关阀方案 B：3S 快闭 95，10S 缓闭 5该关闭程序与投产后的实际运行工况相近。水力式水泵控制阀二阶段关阀方案的选择余地不大，它受到下列因素的约束：启泵慢开和停泵缓闭，这二个因素有时候相互制约，不能随意调节。事故断电，管线上游三个局部高峰节点和止回阀节点水击压力历时曲线分别如图 6-9 所示，局部管线水击包络线图见图 10。可以判断，断流空腔弥合水锤的发生源是节点 A15 和 A18，而不是泵站止回阀下游。由止回阀节点的水击压力历时曲线图 9 可知，停泵所产生的正压水锤波就是图中的第一个尖
11、波，但强度只有 184.7m，(低于稳态压力 200m)，发生时间为 12.37s，接近于一个水锤相（ 17454*2 /1171.612.72S） 。依次推知，止回阀下游后期发生的水锤升压都是由 A15-18 节点等其他节点所产生的非常水锤反射而来的。图 6 方案 B 局部高点 A15 水击压力历时曲线0 20 40 60 80 100一一-S-20020406080100120140160一一-m一10 一一B 一一一一A15一一一一一一一一一一 100s一4一一一一一一一一 一一一18s 一一155m58s图 7 方案 B 局部高点 A18 水击压力历时曲线0 20 40 60 80 1
12、00一一-S-20020406080100120140160一一-m一10-1 一一B 一1一一A18一一一一一一一一一一 100s一4一一一一-10m 一一147m84s图 8 方案 B 局部高点 A65 水击压力历时曲线0 20 40 60 80 100一一-S-2024681012141618一一-m一11 一一B 一4一一A65一一一一一一一一一一 一一一一 一一一一Internal External图 9 方案 B 止回阀节点水击压力历时曲线0 20 40 60 80 100一一-S-50050100150200250300350一一-m一12 一一B 一一一一一一一一一一一一一 3
13、一一一 一一315m86s Outlet Inlet图 10 方案 B 吸水池至 A-66 节点之间的局部管线的水击包络线0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000一一一一一一350400450500550600650一一一一一13 一一B 一一一-A66一一一一一一一一一 一一 2一一一一一一一 一一一一一一一 一一一一一一一一一2.3 泵站水锤防护措施针对这个实际的关阀方案，采取如下停泵水锤防护措施：在泵站止回阀下游安装 DN100 的水击泄放阀，设定开启压力 210m(比稳态压力高 10m 或者 510，若有多个水击阀并联，其设定压力可以相差 23m 递增
14、)，关阀压力设定在 205m，响应高压水锤快速开启所需时间 0.5s(不能太慢，否则无法响应以声速传播的水锤高压，跟泄压阀不同) ，关阀时间 10s（不能太快，否则会产生自身关阀水锤，尤其是可能引导大流量倒流的水击预防阀更不能快闭） 。其消锤效果见下面图11 中的红色线，粉红色线是没有安装水击泄放阀之前的水击压力历时曲线，高压水锤波被削减了几十米。另外两个关键节点 A15 和 A18 的消锤效果见图 12 和图 13。图 11 方案 B 安装水击泄放阀前后 止回阀节点水击压力比较0 20 40 60 80 100一一-S-50050100150200250300一一-m一14 一一B+一一一一
15、一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一 3一一一一一一一 一一226m33s Outlet Prev Outlet Inlet Prev Inlet图 12 方案 B 安装水击泄放阀前后 A15 节点水击压力比较0 20 40 60 80 100一一-S-20020406080100120140160一一-m一15 一一B+一一一一一一一一一A15一一一一一一一一一一一一 3一一一一一一一 一一125m26s 一一30m New Prev 由图 12 和图 13 可知，泵站的水击泄放阀对远在 15001800m 之外的二个 A15-18 节点产生的断流弥合水锤效果甚微，既不能大幅削减弥合升
16、压，更不能消除负压。对付这种断流弥合水锤的最好办法应该是就地安装“ 特效的”“注气微排阀”。图 13 方案 B 安装水击泄放阀前后 A18 节点水击压力比较0 20 40 60 80 100一一-S-20020406080100120140160一一-m一16 一一B+一一一一一一一一一 A18一一一一一一一一一一一一 3一一一一一一一 一一120m26.3s 一一27m New Prev 经泵站水击泄放阀消锤后，上游吸水池至 A66 节点管段水击包络线如图 14 所示，比较图 10和 14 可以看出：最高水击压力由原来的 655m 被削减为大约 570m，整条“ 最高压力线”下移了几十米。图
17、 14 方案 B 安装水击泄放阀后 吸水池至 A66 节点间的管线的水击包络线0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000一一一一一一340360380400420440460480500520540560一一一一一17 一一B+一一一一一 一一一-A66一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一2.4 管线沿线水锤防护措施由于 23503000m 之间的管段位置很低，稳态压力仍然偏高，可以在个别节点，如最低节点A26（图 14 中约 2600m 处）安装一台 DN50100 的水击泄放阀，将会在 A26 附近形成一个泄水低压漏斗，局部降压，保护
18、局部管线。但是它的保护范围是有限的，前后大约几百至一千米，见图 15 和图 16。原来 233m 的高压被削减为 215m，也仅削减 18m，而且对负压无效。图 14 中20004500m 之间的原来高达 570m 的高压被削减为如图 16 所示的 550m 左右，降压约 20m，还是有效果的。图 15 方案 B 安装水击泄放阀前后 最低节点 A26 水击压力比较0 20 40 60 80 100一一-S100120140160180200220240一一-m一18 一一B+一一一一一一一+A26一一一一一 A26一一一一一一一一一一一一一一 一一215m25s 一一18m New Prev
19、图 16 方案 B 在泵站和 A26 安装水击泄放阀后 上游管线的水击包络线0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000一一一一一一340360380400420440460480500520540560一一一一一19 一一B+一一一一一+(2600m一)A26一一一一一一 一一一一一一一 一一一570m一一一一一550m2.5 水击预防阀与水击泄放阀比较更换泵站的水击泄放阀为同样口径 DN100 的水击预防阀，即具有感应低压提前开启预防水锤功能的双导阀水力式水击泄放阀-Surge Anticipator 或者 Anticipator Valve。其设定条件如下：低
20、压提前开启设定压力：100m-相当于稳态压力 200m 的 0.5 倍；快速响应低压条件开启时间：0.5s；等待高压波返回维持开启时间：23s( 由图 11 可知，最高的第一个高压波上升沿距离停泵时间大约是23s，这个维持开启时间既不能太长-以免泄水过多反而引导水锤或加重水锤，也不能太短 -以免高压波返回时预防阀已经关闭，失去预防功能，更重要的是，这个维持时间不能没有控制手段而任由系统的水力条件自行决定，不能主动而且可控的自动关闭的提前开启可能会导致相反的效果)；高压开启设定压力：210m（同水击泄放阀设定值） 。其消锤效果如图 17 所示：因为 23s 持续10s关阀共 33s 的长时间泄水
21、，DN100 口径偏大，泄水过多，造成管线失压，并且引导 A15-18 节点发生更严重的拉空弥合水锤（见图 18-19） 。由图 17 看出：水击泄放阀仅开启一次(粉红色线) ，把水击高压控制在 210m 以内后就稳定在止回阀节点的静态压力 493-340153m 附近，而水击预防阀却在 300s 的模拟时间内反复开启了 9次，造成泄水过多（预防阀的特点是一旦开启就完全开启达到最大泄流能力，而泄放阀则是调节型开启，随水击压力大小自行调节开启度） 。预防阀反复开启的原因是：（参见）图 9 中 100s 内的 3 个高压水击波都有下降沿，这些下降沿都达到 100m 的预防阀低压设定值，导致低压导阀
22、反复动作。工程现场的实际情况的录像基本证实这个模拟结果。图 17 方案 B 安装水击泄放阀和水击预防阀时 止回阀节点水击压力比较0 50 100 150 200 250 300 350一一-S-50050100150200250300350一一-m一20 一一B+一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一153m 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一 Outlet Prev Outlet Inlet Prev Inlet图 18 方案 B 安装水击泄放阀和水击预防阀时 A18 节点水击压力比较0 50 100 150 200 250 30
23、0 350一一-S-20020406080100120140160180200一一-m一21 一一B+一一一一一一一一一一一A18一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一 一一一一New Prev 图 19 方案 B 安装水击泄放阀和水击预防阀时 A15 节点水击压力比较0 50 100 150 200 250 300 350一一-S-20020406080100120140一一-m一22 一一B+一一一一一一一一一一一A15一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一 一一
24、一一New Prev 图 20 方案 B 安装水击预防阀及 A26 节点水击阀后 上游管线水击包络线0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000一一一一一一350400450500550600650一一一一一23 一一B+一一一一一+(2600m一)A26一一一一一一 一一一一一一一 一一一一一 一一一一一一一一一图 21 方案 B 安装水击预防阀及 A26 节点水击阀后 整条管线的水击包络线0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4 1.2E+4 1.4E+4 1.6E+4 1.8E+4 2.0E+4 2.2E+4一一一一一一350400450500
25、550600650一一一一一24 一一B+一一一一一+(2600m一)A26一一一一一一 一一一一一一一 一一一一一 一一一一一一一一一 一一一一一一一2.6 水击防护阀功能选择与口径选择的重要性水击预防阀是比水击泄放阀功能更强更完善更高级的泵站水锤防护后保护设备，五十年代诞生于美国，经过几代更新换代，现在已经发展到了智能化的电子控制式的机电一体化阶段（第五代，前几代分别是：第一代，纯水力式高低压双导阀水击泄放阀 CD 型；第二代，带水力延时导阀的纯水力式三导阀水击泄放阀 BCD 型；第三代，带电磁导阀的电控型水击预防阀 BCDE 型；第四代，带水力放大器的 ABCDE 型水击预防阀） 。但是
26、，它价格昂贵，而且可能会使水力系统复杂化。许多场合，简单的水击泄放阀比复杂的水击预防阀可能更实用。通常情况下，建议选用一个或多个水击泄放阀与一个水击预防阀并联，而且选择预防阀的口径尽量小一点，不宜过大，对一个系统，少至 1 个多至 10 个泄放阀配套 12 个预防阀而且尺寸小 12 级的就可以。这里，为了防止泄水过多，我们把预防阀的口径变小为 DN50 试算看看，除口径外，其他设定条件与原来的相同，结果见图 2224。实际的工程实践是：已经按照好的 DN100 预防阀口径无法改变，但是我们把预防阀上游的控制隔离闸阀 DN100 关小了大约 2/3，仅保留大约 1/3 的开度，从而达到比较理想的
27、效果。该系统共有五级加压泵站，最高 280m 扬程，试运行几个月以来，每天开停泵 10 来次，几乎每次都是开阀停泵（虽然“艺高胆大”，毕竟过于冒险） ，尽管预防阀每次都开启泄水（这说明管线低压和高压波动都很大） ，庆幸的是整个管线系统都安然无恙。但是每天泄水多次对水击阀（属于安全阀类）而言应该说负荷过重：因为高压直接排向大气，压差高达 200300m，阀口流速高达20.961.2*4.5.203674/vcghh ms如此高速水流对阀口的冲刷非常厉害，而且气蚀严重，会缩短寿命。水击阀不宜频繁开启泄水，它的正常工作状态应该是频率很低的间歇式开启-即所谓的后保护而已-protection ，它不能
28、站在预防水锤的前线，而前线的角色应该是由水泵控制阀和注气微排阀等预防设备充当-prevention， 而 Protection Prevention。由图 22-24 看出，经水击泄放阀保护后压力比较稳定- 粉红色线，而水击预防阀则引导空腔弥合水锤，而且它本身没有能力彻底消除这种（可能由自身泄水过多导致的）尖波型的弥合水锤。图 22 方案 B 水击泄放阀和预防阀缩径至 DN50 A18 节点水击压力比较0 10 20 30 40 50 60 70一一-S-20020406080100120140160一一-m一25 一一B+一一一DN50一一一一一一DN50一一一A18一一一一一一一一一一一一
29、 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一 New Prev 图 23 方案 B 水击泄放阀和预防阀缩径至 DN50 A15 节点水击压力比较0 10 20 30 40 50 60 70一一-S-20020406080100120140160一一-m一26 一一B+一一一DN50一一一一一一DN50一一一A15一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一 New Prev 图 24 方案 B 水击泄放阀和预防阀缩径至 DN50 止回阀节点水击压力比较0 10 20 30 40 50 60 70一一-S-50050100150200250300一一-m一27 一一B+一一一DN50一一一一一一DN50一一一 一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一 Outlet Prev Outlet Inlet Prev Inlet2.7 针对断流弥合水锤的特效防护措施
