1、 1 长距离压力输水管道水锤防护设计 饶雪峰 1 ， 刘海涛 1 ， 苏 雷 1 ， 李 华 2（1 中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176；2 成都市双流县水务局，双流 610200） 摘 要：四川某20万m 3 /d长距离输水工程地处山区，输水距离长且管道起伏较大，并且采用泵站加压 输水，水泵扬程81m，水锤防护难度大。以该工程为例，基于PIPE2010;Surge水力分析软件平台，将防水锤 空气阀、防水锤空气罐在输水工程中搭配使用，对其进行了水锤数值模拟。分析结果表明，防水锤空气阀 与防水锤空气罐联合作用可有效地防护长距离输水工程中水锤危害。 关键词：长距离压力输水管道；停泵水锤；
2、模拟分析；防护措施； 中图分类号：TU991.3 文献标志码：A 文章编号： Design of Long-distance Pressure Pipeline Water Hammer Protection RAO Xuefeng 1 , LIU Haitao 1 , SU Lei 1 , LI Hua 2（1. Capital Engineering Surge hydraulic analysis software platform that will air valve water hammer, water hammer air tank used in the project. B
3、asis on Numerical simulation of water hammer, the results show that water hammer air valve and air tank combined effects can effectively protect long distance water transfer projects in the water hammer damage. Key words: long-distance pressure pipeline; the water hammer; simulation analysis; protec
4、tive measures 1. 引言 由于长距离输水工程管线长，管道起伏大，要求输水保证率高，其安全运行问题越来越 受到科研、设计、施工及运行管理人员的重视。水锤是影响长距离压力输水工程安全运行的 一个重要因素，不少工程因水锤而引起爆管，造成了严重的经济损失。 2 水锤发生时能量转换十分复杂， 依靠传统的分析方法不能实时分析水锤发生过程中的水 力变化情况，进行实验室模拟费用较高。早期的水锤计算多采用图解法或数解法，从20世纪 80年代开始采用计算机模拟，目前，国外已在计算机模拟的基础上开发出一系列水锤计算软 件。国内则有金锥、杨玉思等 1 对断流水锤理论、计算和防护进行阐述；刘竹溪等 2 对
5、泵站 水锤及防护装置进行了大量分析研究；刘光临等 3,41 研究了水泵出口阀关闭程序对管道系统 压力和调压塔水位变化影响；王学芳等 5 研究了长输水管线中安装进排气阀对空泡溃灭水锤 的影响，并对空气阀的特性进行了研究。 2. 工程概况 四川某长距离输水工程给水加压站规模 20 万 m 3 /d，时变化系数 1.5，最大供水能力 12500m 3 /h。 经加压站提升后供用户使用， 配套输水管径 DN20001600， 管道距离约 11.0km， 选用 PCCP管材，项目总投资约 1.8亿。管道纵断面详见图 1，由于输水量大，输水距离远， 管线沿程起伏较大，一旦发生水锤事故，会造成严重的安全事故
6、。因此，采取安全可靠的水 锤防护措施十分重要。 0 2000 4000 6000 8000 1.0E+4 Distance (meters) 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 Elevation (meters) y图 1 输水管道纵断面图 3. 模型建立 3.1 应用软件简介 本工程水锤分析软件采用 PIPE2010：Surge，该水力分析软件所应用的水锤波特征方程 源于弹性水柱理论的两个基本方程，数值求解方法采用拉格朗日波特性法，建模过程以节点 和管段的稳态计算结果为基础，可对水锤进行瞬态精确计算和实时跟踪，以图表形式直观明 了地呈现结果。可计
7、算包括压力、流量、进排气有效口径、水损及水泵转速等多项参数，并 3 输出这些参数的最大值、最小值和稳态值及相应的发生时间等，从而为采取压力防护及消除 措施提供依据。 3.2 建模数据 3.2.1 水泵参数（见表 1） 表 1 四川某输水加压工程水锤分析软件建模水泵参数 水泵型号 单台流量 （m 3 /h） 水泵扬程 （m） 额定转速 （rpm） 转动惯量 （kgm 2 ） 运行台数 （台） 备注 1#泵组 500S-98 型 2200 81 970 21.2 4 备用 2 台 2#泵组 350S-125B型 1300 81 1470 8.68 3 无备用泵3.2.2 管道参数 管道选用 PCC
8、P管材， 海森威廉系数 120， 水锤波速 1100m/s。 管道最大输水量 12500m 3 /h。 管道沿途设 3 处供水点，供管道沿途用户使用，K3+519 处设一供水点，供水量 1080m 3 /h， 供水压力 566.6m，自由水头 46.4mH 2 O，K5+000 处设一供水点，供水量 1480m 3 /h，供水压 力 565.4m， 自由水头 51.1mH 2 O， K8+537 处设一供水点， 供水量 4100m 3 /h， 供水压力 563.3m， 自由水头 53.1mH 2 O。管道末端供水量 5840m 3 /h。K0+000K3+520 管径 DN2000，壁厚 14
9、5mm，K3+520K8+540 管径 DN1800，壁厚 135mm，K8+540末端管径 DN1600，壁厚 120mm.。 3.2.3 水力参数 加压站清水池常水位 489.2m，最低液位 487.4m，加压泵出口标高 485.75m。管道末端 接入市政供水管网，末端节点水压 556.68m，自由水头 53mH 2 O。 4. 停泵水锤分析及防护措施 4.1 无防护水锤模拟 输水管道沿线无任何水锤防护措施，仅在水泵出口设置多功能水力控制阀，该阀 2S 内 关闭 90%，其余 10%在第二阶段 10S 内缓闭，通过软件分析 7 台工作泵同时断电停车时瞬 态水锤。分析结果详见图 2图 4。
10、4 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Time (sec) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Speed (RPM) -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Time (sec) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Speed (RPM) 024681 0 Distance (km) 450 500 550 600 650 700 750 800 HGL (m)图 2 无保护工况下的高/低瞬变压
11、力包络线 图 3 1#泵组停泵曲线图 图 4 2#泵组停泵曲线 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Time (sec) 0 50 100 150 200 250 Head (m)图 5 无保护工况下 1#泵组泵后压力变化曲线 从图 3、图 4可以看到，工作泵断电停泵时，各泵组转速在 20S 内快速降低到 0，但是 最小压力包络线 最大压力包络线 稳态水力坡降线 管道剖面线 节点压力 （ m ） 管道距离（km） 理论极限最小压力包络线 时间（S） 时间（S） 自由 水头 （ m ） 时间（S） 转速 （ RPM ） 转速 （ RPM ）
12、 5 未产生反转现象，满足泵站设计规范 （GB 50265-2010）要求。但是从图 5 可以看到，泵 出口节点自由水头在停泵后 130S时出现最大值， 达到 230m， 为水泵额定工作压力的 2.8 倍， 远超过泵站设计规范所要求的水泵出口最高压力不超过水泵额定压力 1.31.5 倍。由图 2 可以看到，在输水管道前 2500m，即管道上升段，既产生正压水锤又产生了负压水锤，有 断流弥合水柱现象发生，管道上升到最高点后，正压水锤现象消失，但是全线均出现不同程 度负压，所以有必要采取防护措施，消除水锤现象，保证管道安全运行。 4.2 防护措施比较与选择 目前国内水锤防护普遍采用多功能水力控制阀
13、、水锤消除器、单（双）向调压塔、空气 阀等组件，各单项组件均有缺点：多功能水力控制阀阻力大，在长距离、多起伏输水工程中 单独使用难以达到效果；单（双）向调压塔占地大、造价高、水质易受二次污染、施工困难 等；普通空气阀在弥合水锤发生时排气过快，不能有效抑制弥合水锤。 考虑到以上水锤防护措施局限性，针对本工程水锤现象特点，本工程拟采用如表 2 所示 3 种防水锤措施作为备选方案。 表 2 防水锤措施方案 序号 方案名称 方案内容 1 方案 1 泵站出口处设置防水锤型空气罐，管道沿途设置防水锤空气阀 2 方案 2 泵站出口及管道最高点处 K2+800 分别设置防水锤型空气罐 3 方案 3 泵站出口设
14、置水击泄水阀，管道沿途设置防水锤空气阀 防水锤空气阀的主要原理为：空气可以顺畅地进入到管道当中，及时弥补因压力变化而 产生的局部真空，防止管线的负压破坏；而当快速排气时，该阀门中的缓冲盘片将会关闭， 阻挡主排气孔的工作，而由阀顶的另一小排气孔向外有限制地排气。通过管道内气体缓冲， 尽量延长“水柱弥合”的时间，从而使得该点的变化趋向稳定，缓解压力升高。 防水锤空气罐利用气体体积与压力的特定定律工作， 随着管路中的压力变化气压罐向管 道补水或吸收管路中的过高压力，抗水锤原理上与双向调压塔类似。水击泄水阀属于被动型 后保护水锤防护设备， 可及早感知超高压迅速开启泄水消除水锤， 压力平息后可控速度关阀
15、， 防止关阀水锤；及早感知超低压力，快速开启主阀，预防断流弥合水锤产生的水击高压。 表 2中 3个方案水泵出口多功能水力控制阀关阀时间均设置为 2S内关闭 90%， 其余 10% 在第二阶段 10S 内缓闭。方案 1 水泵出口设置 1 台 3m 3 防水锤型空气罐，管道沿途设置 台防水锤空气阀；方案 2 水泵出口设置 1 台 3m 3 空气罐，管道最高点 K2+800 处设置 1 台 10m 3 防水锤型空气罐；方案 3 水泵出口设置 3台 DN250 水击泄水阀，管道沿途设置 7 台防 6 水锤空气阀。通过 PIPE2010;Surge 水力分析软件多次调试模拟来看，上述 3 个方案均能达
16、到防水锤效果，其中以方案 2 投资最高，防水锤效果最好也最为安全，方案 1 投资居中， 方案 3 投资最省。考虑到方案 2 需要在 K2+800 处安装 1 台 10m 3 防水锤型空气罐，为了保 证供水安全性，需要征地为其建一专门建筑，并派专人看护；方案 3由于在产生水锤时需要 在极短的时间内排出大量水，受泵站周围城市雨水管网排水能力限制，易产生溢流而引起水 淹事故，而且水击泄水阀是通过压力传导通过机械作用开启阀门，安全性不及防水锤型空气 罐高。经过技术经济比较，本工程采用方案 1作为防水锤措施，即采用防水锤空气阀消除管 路负压，采用防水锤空气罐缓冲水锤波对加压泵站冲击。 4.3 防水锤措施
17、模拟计算 在发生停泵和断电事故情况下，输水管线出现的负压造成水柱分离形成断流空穴，当空 穴消失时，上下游的水柱相撞可能产生较大能量的正水锤，防止压力管道出现负压的有效措 施是在压力管道安装防水锤空气阀。通过不断地调试，对防水锤空气阀的安装位置、尺寸、 形式等进行了优化。设置防水锤空气阀后水锤分析详见图 6。可见，采取防水锤空气阀防护 后， 水泵后节点压力已大大降低， 节点自由水头 134.3mH 2 O， 仍然为额定工作压力 （81mH 2 O） 的 1.65 倍，并且水泵后出现较大的负压，不满足泵站设计规范要求。所以单独采用防 水锤空气阀难以达到防水锤效果，需结合防水锤空气罐同时使用。设置防
18、水锤空气阀与防水 锤空气罐防水锤分析详见图。 024681 0 Distance (km) 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 HGL (m)图 6 防水锤空气阀保护状况下输水管线高/低瞬变压力包络线 节点压力 （ m ） 管道距离（km） 最大压力包络线 稳态水力坡降线 最小压力包络线 理论极限最小压力包络线 管道剖面线 7024681 0 Distance (km) 460 480 500 520 540 560 580 600 HGL (m)图 7 防水锤空气阀+防水锤空气罐保护状况下输水管线高/低瞬变压力包络线 从分析结果来看，相比于没有采取
19、水锤防护措的情况，系统的压力变化有了明显改善， 同时系统绝大部分管路不会出现全真空的情况，达到了水锤防护的效果。从图 7、图 8 可以 看到，最高水锤正压在断电停泵后 20S 时出现在水泵出口多功能水力控制阀处，节点自由 水头为 114mH 2 O，为额定工作压力（81mH 2 O）的 1.4 倍，并且工作泵未产生倒转现象，满 足泵站设计规范要求。 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Time (sec) -20 0 20 40 60 80 100 120 Head (m)图 8 采用防护措施后 1#泵组泵后压力变化曲线 4.4 空气阀设
20、置 管道排气不畅、补气不及时，将产生气堵等现象，不但影响输水效率，严重时甚至引起 爆管等问题。虽然本工程沿线设置防水锤型排气阀，但是由于其比普通空气阀价格贵，仅安 装在易引起管道负压的位置，设置数量有限，不能满足全线管道排气、补气的需要，故需结 合防水锤空气阀的安装位置设置普通空气阀，本工程选用三功能复合式排气阀，三功能复合 式排气阀可在管道充水过程中实现快速排气，在管道检修、泄水过程中实现快速吸气，在管 最大压力包络线 管道剖面线 稳态水力坡降线 最小压力包络线 理论极限最小压力包络线 管道距离（km） 节点压力 （ m ） 8 道运行过程中实现微量排气的功能。安装位置详见表 3。 表 3
21、水锤防护设备及空气阀设置一览表 序 号 设备名称 安装位置 管中心线 高程（m) 吸气孔口 口径（mm) 微量孔口 口径（mm) 排气孔口 口径（mm） 一 水锤防护设备 1 防水锤空气罐 K0+000 内胆式、容积 3m 3 、补水管径 DN400，承压 1.6MPa 2 防水锤空气阀 K0+100 491.77 200 4.8 100 3 防水锤空气阀 K0+400 494.45 200 4.8 100 4 防水锤空气阀 K1+200 505.17 200 4.8 100 5 防水锤空气阀 K2+000 517.62 200 4.8 100 6 防水锤空气阀 K2+800 528.67 2
22、00 4.8 100 7 防水锤空气阀 K4+481 524.42 200 4.8 100 8 防水锤空气阀 K4+481 524.42 200 4.8 100 二 空气阀设备 1 复合式排气阀 K3+581 518.95 50 1.6 50 2 复合式排气阀 K5+000 514.39 50 1.6 50 3 复合式排气阀 K5+781 514.39 200 4.8 100 4 复合式排气阀 K6+181 508.77 150 4.8 100 5 复合式排气阀 K6+760 508.05 150 4.8 100 6 复合式排气阀 K7+358 507.60 150 4.8 100 7 复合式
23、排气阀 K8+718 510.79 150 4.8 100 8 复合式排气阀 K9+078 513.14 150 4.8 100 9 复合式排气阀 K9+638 509.62 150 4.8 100 10 复合式排气阀 K10+118 509.06 150 4.8 100 5. 结论 本工程输水量大，管段起伏较多，水锤事故后果严重，采取经济可行的水锤防护措施尤 为重要。在利用 PIPE2010;Surge 对管线及加压站水锤发生过程模拟的基础上，确定水锤防 护方案为：加压站出水干管安装 1台 3m 3防水锤型空气罐，在管道沿线布置 7 台 DN200 防 水锤空气阀，并辅以布置 10 台三功能
24、复合式排气阀满足管道排气及补气的需求。经过模拟 分析表明，该组合可以有效消除管路正压和负压水锤，是系统安全运行的重要保证。水锤防 护设备及三功能复合式排气阀总投资约 160 万元，占项目总投资的 0.89%，具有投资低，施 工方便等优点。 参考文献： 1金锥，姜乃昌，汪兴华等停泵水锤及防护M第2版北京：中国建筑工业出版社，2004. 9 2刘竹溪，刘光临泵站水锤及其防护M北京：水力电力出版社，1988. 3刘光临，蒋劲大型轴流泵站停泵水锤的调压塔防护研究J水利水电技术，1995(2)：4246. 4刘光临，刘梅清，匡许衡长管道系统中的水锤及其防护研究J武汉水利电力大学学报，1996(5)： 111113. 5王学芳，叶宏开工业管道中的水锤M北京：科学出版社，1995. 作者信息： 饶雪峰，1980年生，性别男，硕士研究生毕业，高级工程师 E-mail地址： 本论文已发表于中文核心期刊给水排水2013年第2期
