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摘 要：长距离大管径平坦地区管道水锤防护的应以管道气囊振荡型水锤防护和断流弥合水锤为主。以我国东南地区某县供水工程为例，分析了长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护方法。研究结论有望能对同类工程提供参考。
关键词：平坦地区；水锤防护；断流弥合水锤
中图分类号：TB
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2015）25-0267-02
1 长距离大管径平坦地区输水管道的气水两相流压力特点
平坦地区管道在充水和运行中可能有六种流态，层状流、波状流、段塞流、气团流、泡沫流、环状流。在管道充水的初始阶段为层状流、波状流。在充水过程中出现泡沫流、气团流以及环状流。在管道正常运行期间，管道存气多呈段塞流形态或以大气囊形态。地形平坦地区的管道中会间隔出现气囊，管径较大时大气囊居多。经过长期理论和实践研究发现：气囊沿管顶随水流运动，易在管道转弯处、凸起、阀门等处产生聚集，并产生压力振荡，冲击供水管道。平坦地区大管径管道正常运行压力往往很低。在突然停泵时，管道极易出现负压，尤其是管道末端更易出现负压注气型水柱中断现象，进而产生断流弥合水锤。因而，长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护的重点是管道气囊振荡型水锤防护和断流弥合水锤。
2 长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护案例分析
我国东南地区某县供水工程，设计供水水量Q=20×104m3/d，供水管全长约47.0km，供水净扬程范围为15.96～24.06m，采用一级加压供水方式。取水泵站位于管道头部，机组安装水泵3台，2台工作1台备用，供水量为20×104m3/d，采用水泵单级双吸离心泵，配套为710kW的变频电机。全程双管埋地敷设，管径2根DN1400，管材全线采用PCCP管，局部段采用钢管、球墨铸铁管，管道进口与供水加压泵站相连。PCCP管糙率系数一般取值为n=0.011～0.0125。一般PCCP管最小承压值1.0MPa。钢管和球墨铸铁管的承压能力高于PCCP管，按最不利条件计算，全线采用承压值为1.0MPa。
具体管道纵断面布置及稳态运行压力（即水压线）如图1所示。
图1 管道纵断面布置及稳态运行压力
从图中可以看出：此工程管道起伏不大，属于平坦地区输水，为典型的长距离大管径低扬程工程。本文以此工程为例，探讨了此类工程的水锤防护方法。利用计算机数值模拟方法对系统在过渡过程中的特性进行研究，提出系统水锤作用引起的非正常运行最不利参数，并采取相应的保护措施提出安全运行时的水锤消除措施。
为方便比较，以下方案中统一在水泵出口处安装缓闭止回阀，缓闭止回阀快关时间10s、快关角度60°、全关时间120s。
2.1 无任何防护措施时的压力包络线
图2 无任何防护措施时的水锤包络线
从图2可以看出不添加任何防护措施时，管道升压很大，最高可达500mmH2O，气阻现象非常严重，并伴有全线断流，爆管可能性很大。需要采取水锤防护措施保证管道安全。
2.2 在指定桩号处安装普通排气阀的水锤升压
普通排气阀也叫复合式排气阀，常见的浮球式排气阀、组合式排气阀等，按照相关手册规定并结合管段纵断面图，在全线安装109处安装普通排气阀，其水锤防护效果见图3。
图3 在指定桩号处安装普通排气阀时的水锤包络线
由图3可知：安装普通排气阀其效果比图2有了明显的改善，在桩号1+400～34+400处其压力将至承压值以下，排气效果良好，但是首段和末端的压力仍然很高，对管道安全造成隐患，需要进一步采取防护措施。
2.3 在指定桩号处安装缓冲排气阀时的水锤升压
在长距离大管径平坦地区输水水锤防护方案，由于气囊的影响，对排气阀的要求较高，水锤防护措施要充分考虑到排气阀的性能。普通排气阀一旦出现气阻，压力升高很大。它们不具有在管道水气相条件下连续大量排气的功能，故排气不净，有可能使管道造成威胁。缓冲排气阀是一种新型排气阀，其优点是能保持恒速排气，和普通排气阀相比，它能保证管道内气体的及时排出，在排气结束时又有缓闭功能。以下缓冲排气阀的位置同2.2。
图4 在指定桩号处安装缓冲排气阀的水锤包络线
由图4可知：采用缓冲排气阀之后，在桩号0～34+400处管段压力降至承压值以下，但是其末端的压力仍然很高，说明仅使用排气阀不能达到理想的水锤防护效果，对管道安全运行存在隐患。需要采取进一步的水锤防护措施来降低管道中的水锤升压。
2.4 在指定桩号处加装箱式双向调压塔的水锤升压
在指定桩号处安装普通排气阀，排气阀位置同22，在指定桩号处安装箱式双向调压塔的水锤包络线见图5。
图5 在指定桩号处加装箱式双向调压塔的水锤包络线
图5可知：在指定桩号处安装箱式双向调压塔后，管道压力有了大幅度的下降。所有管段的水锤升压基本都降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显。且无全线断流，完全满足管道安全运行，可将其作为最佳水锤防护方案应用与此工程。
3 结论
在长距离大管径平坦地区水锤防护中，考虑到管道排气及经济等方面，应该优先考虑各种排气阀的应用。但是在一些工程中仅用排气阀的作用是不明显的。排气阀必须满足在任何压力及任何流态下管道中均排气通畅。保证管道在充水后以及以后运行中不积存气体，是保证管道安全运行的重要条件。按现行排气阀结构是达不到理想效果的，尤其对大管径的管道而言，排气的作用不明显。这时可以考虑结合其他水锤防护措施。例如空气罐、超压泄压阀、恒压减压阀、调压塔等。调压塔是目前来说防水锤效果最明显的水锤防护措施之一。箱式双向调压塔是目前应用比较广泛的一种调压塔，是在普通调压塔的基础上的改进，在水锤防护性能雷同于普通双向调压塔，其优点是高度低，安装简单，从而大大降低了工程造价，从而使其广泛应用于管道水锤防护。
参考文献
[1]杨玉思，高学贞，闫明.长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护技术[J].给水排水，2010，36（9）：174-176.
[2]金锥，姜乃昌，王兴华等.停泵水锤及其防护（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：11-12.
[3]杨玉思，徐艳艳，羡巨智.长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究[J].给水排水，2009，36（9）：108-110.
关键词：平坦地区；水锤防护；断流弥合水锤
中图分类号：TB
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2015）25-0267-02
1 长距离大管径平坦地区输水管道的气水两相流压力特点
平坦地区管道在充水和运行中可能有六种流态，层状流、波状流、段塞流、气团流、泡沫流、环状流。在管道充水的初始阶段为层状流、波状流。在充水过程中出现泡沫流、气团流以及环状流。在管道正常运行期间，管道存气多呈段塞流形态或以大气囊形态。地形平坦地区的管道中会间隔出现气囊，管径较大时大气囊居多。经过长期理论和实践研究发现：气囊沿管顶随水流运动，易在管道转弯处、凸起、阀门等处产生聚集，并产生压力振荡，冲击供水管道。平坦地区大管径管道正常运行压力往往很低。在突然停泵时，管道极易出现负压，尤其是管道末端更易出现负压注气型水柱中断现象，进而产生断流弥合水锤。因而，长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护的重点是管道气囊振荡型水锤防护和断流弥合水锤。
2 长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护案例分析
我国东南地区某县供水工程，设计供水水量Q=20×104m3/d，供水管全长约47.0km，供水净扬程范围为15.96～24.06m，采用一级加压供水方式。取水泵站位于管道头部，机组安装水泵3台，2台工作1台备用，供水量为20×104m3/d，采用水泵单级双吸离心泵，配套为710kW的变频电机。全程双管埋地敷设，管径2根DN1400，管材全线采用PCCP管，局部段采用钢管、球墨铸铁管，管道进口与供水加压泵站相连。PCCP管糙率系数一般取值为n=0.011～0.0125。一般PCCP管最小承压值1.0MPa。钢管和球墨铸铁管的承压能力高于PCCP管，按最不利条件计算，全线采用承压值为1.0MPa。
具体管道纵断面布置及稳态运行压力（即水压线）如图1所示。
图1 管道纵断面布置及稳态运行压力
从图中可以看出：此工程管道起伏不大，属于平坦地区输水，为典型的长距离大管径低扬程工程。本文以此工程为例，探讨了此类工程的水锤防护方法。利用计算机数值模拟方法对系统在过渡过程中的特性进行研究，提出系统水锤作用引起的非正常运行最不利参数，并采取相应的保护措施提出安全运行时的水锤消除措施。
为方便比较，以下方案中统一在水泵出口处安装缓闭止回阀，缓闭止回阀快关时间10s、快关角度60°、全关时间120s。
2.1 无任何防护措施时的压力包络线
图2 无任何防护措施时的水锤包络线
从图2可以看出不添加任何防护措施时，管道升压很大，最高可达500mmH2O，气阻现象非常严重，并伴有全线断流，爆管可能性很大。需要采取水锤防护措施保证管道安全。
2.2 在指定桩号处安装普通排气阀的水锤升压
普通排气阀也叫复合式排气阀，常见的浮球式排气阀、组合式排气阀等，按照相关手册规定并结合管段纵断面图，在全线安装109处安装普通排气阀，其水锤防护效果见图3。
图3 在指定桩号处安装普通排气阀时的水锤包络线
由图3可知：安装普通排气阀其效果比图2有了明显的改善，在桩号1+400～34+400处其压力将至承压值以下，排气效果良好，但是首段和末端的压力仍然很高，对管道安全造成隐患，需要进一步采取防护措施。
2.3 在指定桩号处安装缓冲排气阀时的水锤升压
在长距离大管径平坦地区输水水锤防护方案，由于气囊的影响，对排气阀的要求较高，水锤防护措施要充分考虑到排气阀的性能。普通排气阀一旦出现气阻，压力升高很大。它们不具有在管道水气相条件下连续大量排气的功能，故排气不净，有可能使管道造成威胁。缓冲排气阀是一种新型排气阀，其优点是能保持恒速排气，和普通排气阀相比，它能保证管道内气体的及时排出，在排气结束时又有缓闭功能。以下缓冲排气阀的位置同2.2。
图4 在指定桩号处安装缓冲排气阀的水锤包络线
由图4可知：采用缓冲排气阀之后，在桩号0～34+400处管段压力降至承压值以下，但是其末端的压力仍然很高，说明仅使用排气阀不能达到理想的水锤防护效果，对管道安全运行存在隐患。需要采取进一步的水锤防护措施来降低管道中的水锤升压。
2.4 在指定桩号处加装箱式双向调压塔的水锤升压
在指定桩号处安装普通排气阀，排气阀位置同22，在指定桩号处安装箱式双向调压塔的水锤包络线见图5。
图5 在指定桩号处加装箱式双向调压塔的水锤包络线
图5可知：在指定桩号处安装箱式双向调压塔后，管道压力有了大幅度的下降。所有管段的水锤升压基本都降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显。且无全线断流，完全满足管道安全运行，可将其作为最佳水锤防护方案应用与此工程。
3 结论
在长距离大管径平坦地区水锤防护中，考虑到管道排气及经济等方面，应该优先考虑各种排气阀的应用。但是在一些工程中仅用排气阀的作用是不明显的。排气阀必须满足在任何压力及任何流态下管道中均排气通畅。保证管道在充水后以及以后运行中不积存气体，是保证管道安全运行的重要条件。按现行排气阀结构是达不到理想效果的，尤其对大管径的管道而言，排气的作用不明显。这时可以考虑结合其他水锤防护措施。例如空气罐、超压泄压阀、恒压减压阀、调压塔等。调压塔是目前来说防水锤效果最明显的水锤防护措施之一。箱式双向调压塔是目前应用比较广泛的一种调压塔，是在普通调压塔的基础上的改进，在水锤防护性能雷同于普通双向调压塔，其优点是高度低，安装简单，从而大大降低了工程造价，从而使其广泛应用于管道水锤防护。
参考文献
[1]杨玉思，高学贞，闫明.长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护技术[J].给水排水，2010，36（9）：174-176.
[2]金锥，姜乃昌，王兴华等.停泵水锤及其防护（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：11-12.
[3]杨玉思，徐艳艳，羡巨智.长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究[J].给水排水，2009，36（9）：108-110.