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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m3/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；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：DesignofLong-distancePressurePipelineWaterHammerProtectionRAOXuefeng1,LIUHaitao1,SULei1,LIHua2（1.CapitalEngineering&ResearchIncorporationLtd.,Beijing100176；2.ChengduShuangliuMunicipalWaterAffairsBureau，Shuangliu610200）Abstract:Sichuana200000m3/dlong-distancewatertransferprojectislocatedinmountainousareas,longdistanceandlargefluctuationofwaterpipe,andthewatertransporting,pumphead81m,waterhammerprotectionisdifficult.Totheprojectasanexample,basedonPIPE2010;Surgehydraulicanalysissoftwareplatformthatwillairvalvewaterhammer,waterhammerairtankusedintheproject.BasisonNumericalsimulationofwaterhammer,theresultsshowthatwaterhammerairvalveandairtankcombinedeffectscaneffectivelyprotectlongdistancewatertransferprojectsinthewaterhammerdamage.Keywords:long-distancepressurepipeline;thewaterhammer;simulationanalysis;protectivemeasures1.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m3/d，时变化系数1.5，最大供水能力12500m3/h。经加压站提升后供用户使用，配套输水管径DN2000～1600，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。因此，采取安全可靠的水锤防护措施十分重要。020004000600080001.0E+4Distance(meters)450460470480490500510520530540Elevation(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（m3/h）水泵扬程（m）额定转速（rpm）转动惯量（kg·m2）运行台数（台）备注1#泵组500S-98型22008197021.24备用2台2#泵组350S-125B型13008114708.683无备用泵3.2.2管道参数管道选用PCCP管材，海森威廉系数120，水锤波速1100m/s。管道最大输水量12500m3/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1080m3/h，供水压力566.6m，自由水头46.4mH2O，K5+000处设一供水点，供水量1480m3/h，供水压力565.4m，自由水头51.1mH2O，K8+537处设一供水点，供水量4100m3/h，供水压力563.3m，自由水头53.1mH2O。管道末端供水量5840m3/h。K0+000～K3+520管径DN2000，壁厚145mm，K3+520～K8+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53mH2O。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。4-20020406080100120140160180200220Time(sec)02004006008001000120014001600Speed(RPM)-20020406080100120140160180200220Time(sec)01002003004005006007008009001000Speed(RPM)0246810Distance(km)450500550600650700750800HGL(m)图2无保护工况下的高/低瞬变压力包络线图31#泵组停泵曲线图图42#泵组停泵曲线-20020406080100120140160180200220Time(sec)050100150200250Head(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）5未产生反转现象，满足《泵站设计规范》（GB50265-2010）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1.3~1.5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、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，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3m3防水锤型空气罐，管道沿途设置７台防水锤空气阀；方案2水泵出口设置1台3m3空气罐，管道最高点K2+800处设置1台10m3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10m3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134.3mH2O，仍然为额定工作压力（81mH2O）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。设置防水锤空气阀与防水锤空气罐防水锤分析详见图７。0246810Distance(km)460480500520540560580600620640HGL(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