论文部分内容阅读
摘要：随着经济的快速发展，水资源匮乏问题凸显，并逐渐对国民经济的发展产生了不容忽视的影响。因此长距离加压输水工程越来越重要，而采取有效的水锤防护措施是此类工程安全运行的关键。此文结合工程实例说明了经特征线法为基础的电算法验证下，采用普通排气阀和箱式双向调压塔结合使用时的水锤防护效果。
关键字：水锤防护；排气阀；箱式双向调压塔；电算法
0.前言
我国水资源分布严重不均：东多西少，南多北少。中国目前有16个省（区、市）人均水资源量（不包括过境水）低于严重缺水线，有6个省、区为极度缺水地区，因此像南水北调这样的输水工程越来越受到广泛采用，但其中存在的水锤事故危害巨大。水锤是指在压力管流中因为流速的剧烈变化而引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。按水锤成因的外部条件，将水锤分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。然而调查表明，大部分水锤事故都属于停泵水锤事故[2]。
正常运行条件下，机组在关阀停机时，一般不会产生大的影响，但是在事故停机时，由于压力管道内的水体瞬间先由向上流动的惯性而继续向上，由于没有后继水体，压力逐渐下降并可能产生负压，随之水体以极大的势能由管道顶顺管道倒泻而下，冲击阀门[3]，从而导致阀门损坏，管道涨裂等。
水锤现象的持续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。轻则造成爆管、设备损坏、大量漏水等，重则造成人身伤亡。如果在管路中发生水柱分离和断流空腔再弥合水锤，其破坏力将更为严重。
1.水锤计算的特征线法
运动方程和连续方程统称水锤基本微分方程，是电算法求解水锤问题的基础。借助于特征线，将水锤基本方程转化为可供计算机运算的有限差分方程。有限差分方程式的近似简化积分式为：
从式（2.1）到式（2.4）便是水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。
2.水锤防护措施
2.1排气阀
输水管中不应该有气体积聚，如果在压力管线上没有适当的进气和排气设备，那么在投产使用之前向水管内灌水时，空气就没办法排出去，气体就会顺水流移动而在水管高出积聚。积存空气会缩小过水断面，导致不稳定的水流，引起输水管震动、水锤等。为了在输水管充水时排出管内的空气，应该在输水管纵断面的高处安装空气阀。并且，当管线损坏必须进行检修时，应该放去管内的存水，也要在管线的高处设置排气阀，以避免管道内部出现真空，同时也使排水通畅[1]。
在长距离输水管道设计时，水在输水管道运行时是水气两相流的特征。应该根据输水管道的纵向布置，分析研究计算可能出现的不同工况下水的流动状态，选择合适的位置布置一定数量的排气阀。在管线的水平段，排气的问题更突出，在设计时一般故意把管线布置成一个高点，设置排气阀，参照相关软件水锤计算的结果，并做适当的保守估计，水平段一般在600～1000m设置一处排气阀[4]。
2.2箱式双向调压塔
箱式双向调压塔关键采用了上下不等面积活塞增压的原理。箱式双向调压塔的调压方式是在其活塞上部承受箱内水深的压力，活塞下部承受管道压力，活塞上部面积大，下部面积小，且其面积的比值根据箱式调压塔的水深即高度要求和管道内压的大小决定。在正常运行时，管道内压等于或小于其最大设计水压，活塞上部总压力大于或等于管道对活塞下部的总压力，活塞静止不动，被压在阀座上，并保持活塞与阀座间的密封。当管道内产生水锤时，管道内压大于最大正常运行设计压力，管道对活塞下部的内水总压力大于水箱内水对活塞上部的总压力，从而使活塞向上运行，管道內水从活塞上的导流孔流进水箱，并从水箱溢流管流出，从而起到泄压的作用；当管道压力恢复正常，即等于或小于最大正常运行水压时，活塞下移复位，重新封住阀座不使管内水外流；当管道内出现负压时，活塞下部的单项密封板开启，使箱式调压塔内的水注入管道，消除可能出现的断流空腔，以预防和消除断流弥合水锤。也就是当管道发生意外水锤高压时，释放超高压力，当管道出现负压时，可向管道注水，對系统起稳压作用或消减断流弥合水锤。箱式双向调压塔一般装设于泵站汇水总管，或输水管道易发生水柱中断的高点或折点处，调压塔的 一般为2-5m，其泄压值一般为“最大使用压力+0.1～0.15MPa”[5]。
3.工程实例
现对一工程实例采用特征线法，确定边界条件和已知参数继而编制水锤计算程序，具体地分析长距离输水工程中的水锤防护措施。
3.1压力流输水工程
本工程为罗埠河取水一输水工程，设计流量近期为5万m3/d，流量远期为10万m3/d，按远期考虑。项目采用水泵加压方式输水，其中取水泵站处设有3台泵（2用1备），取水泵站处水泵流量2088m3/h，扬程49m，配套电机N=450kW，输水管线全长约12.8km，单管敷设，管材为DN1200mm球墨铸铁管，承压值定为1.6MPa，沿线设有排气阀、泄水阀、检修阀等。现采用两种水锤防护方案：第一种：管路中只使用普通排气阀的水锤防护措施；第二种：管路中使用普通排气阀和箱式双向调压塔结合的水锤防护措施。具体分析如下：
管路稳定运行时的压力包络线如下图1所示：
管道承压值取1.6Mpa。从图1可以看出，输水系统正常运行时，压力线始终在管中心线标高和管道承压值之间，管道压力稳定。
该工程只采用普通排气阀时的压力包络线如下图2所示：
事故停泵，水泵出口阀门分两阶段关闭，快关时间10s，快关角度70°，总关阀时间120s时的压力包络线。
排气阀设在输水管道隆起点上，管线平缓处每800至1000米设置一个。
从图2中明显可以看出最大压力线超过了管道承压值，最大处甚至达到了329.18m水压，易发生爆管。
该工程采用普通排气阀和箱式双向调压塔结合时的压力包络线和水泵倒转速如下图3所示： 普通排气阀的位置同上，并设置1座箱式双向调压塔，调压塔桩号为K0+000。
从以上图3、图4可以看出，改用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式后，即使发生水锤，整个管路的最大压力也全部降低到承压值以内，水泵倒转速不超过额定转速的1.2倍，管道压力线平稳安全。
3.2重力流输水工程
黄岗水库永定灌区，位于永定区东北部的低山丘陵与盆地交错地带。灌区骨干工程运行至今已有40～50年的历史，目前，工程设施普遍存在老化失修等问题，严重影响着灌区效益的充分发挥和水资源的有效利用，需对灌区渠道进行节水配套改造，合理调配水资源，为当地农业综合开发土地治理项目提供水利灌溉保障。黄岗水库永定灌区现有干、支渠7条，其中干渠2条，总长21.02km。输水管设计的主管材采用PVC管和球墨铸铁管，出水管为DN800mm的管径。本项目的建设能够为灌区管理体制改革顺利进行提供保障，合理调配水资源，在保证黄岗水库现有供水任务情况下，新增2万m?/d的生活供水提供保障，同时，也是可持续协调发展的必由之路。合理调配水资源，为当地农业综合开发土地治理项目提供水利灌溉保障。
从图中明显可以看出管线首段最大压力线超过了管道承压值，易发生爆管。
该工程采用普通排气阀和箱式双向调压塔结合时的压力包络线如下图：
普通排气阀的位置同上，并设置2座箱式双向调压塔，调压塔桩号为K10+950和K18+725。
从以上图5、图6可以看出，改用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式后，即使发生水锤，整个管路的最大压力也全部降低到承压值以内，管道压力线平稳安全。
结论
结合工程实例，经电算法验证后可以看出，当只采用普通排气阀时管路最大压力超过管路承压值，采用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式可以有效防止水锤事故的发生，使管路稳定、安全运行，对长距离输水工程的安全运行具有保障。因此，经计算机动态模拟，从而确定出合理的水锤防护措施，对管道安全运行起着至关重要的作用。
参考文献
[1]赵洪宾，严煦世.给水管网系统理论与分析.北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2]金锥，姜乃昌，汪兴华等.停泵水锤及其防护.北京：中国建筑工业出版社，2004.
[3]许海平，诸育才，施练东.大型泵组事故停机中水锤防护及对策.给水排水，2009，35：286～288.
[4]张亚平，张洪光.PCCP管用于长距离输水工程的探讨.给水排水，2010，36（7）：115～117.
[5]董茹，楊玉思，葛光环等.长距离加压输水工程停泵水锤防护方案对比研究.给水排水，2016，42（3）：119～121.
作者简介：
徐明（1983——） 男，工程師，西安市政设计研究院有限公司，主要从事市政给排水工程设计和研究。
关键字：水锤防护；排气阀；箱式双向调压塔；电算法
0.前言
我国水资源分布严重不均：东多西少，南多北少。中国目前有16个省（区、市）人均水资源量（不包括过境水）低于严重缺水线，有6个省、区为极度缺水地区，因此像南水北调这样的输水工程越来越受到广泛采用，但其中存在的水锤事故危害巨大。水锤是指在压力管流中因为流速的剧烈变化而引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。按水锤成因的外部条件，将水锤分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。然而调查表明，大部分水锤事故都属于停泵水锤事故[2]。
正常运行条件下，机组在关阀停机时，一般不会产生大的影响，但是在事故停机时，由于压力管道内的水体瞬间先由向上流动的惯性而继续向上，由于没有后继水体，压力逐渐下降并可能产生负压，随之水体以极大的势能由管道顶顺管道倒泻而下，冲击阀门[3]，从而导致阀门损坏，管道涨裂等。
水锤现象的持续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。轻则造成爆管、设备损坏、大量漏水等，重则造成人身伤亡。如果在管路中发生水柱分离和断流空腔再弥合水锤，其破坏力将更为严重。
1.水锤计算的特征线法
运动方程和连续方程统称水锤基本微分方程，是电算法求解水锤问题的基础。借助于特征线，将水锤基本方程转化为可供计算机运算的有限差分方程。有限差分方程式的近似简化积分式为：
从式（2.1）到式（2.4）便是水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。
2.水锤防护措施
2.1排气阀
输水管中不应该有气体积聚，如果在压力管线上没有适当的进气和排气设备，那么在投产使用之前向水管内灌水时，空气就没办法排出去，气体就会顺水流移动而在水管高出积聚。积存空气会缩小过水断面，导致不稳定的水流，引起输水管震动、水锤等。为了在输水管充水时排出管内的空气，应该在输水管纵断面的高处安装空气阀。并且，当管线损坏必须进行检修时，应该放去管内的存水，也要在管线的高处设置排气阀，以避免管道内部出现真空，同时也使排水通畅[1]。
在长距离输水管道设计时，水在输水管道运行时是水气两相流的特征。应该根据输水管道的纵向布置，分析研究计算可能出现的不同工况下水的流动状态，选择合适的位置布置一定数量的排气阀。在管线的水平段，排气的问题更突出，在设计时一般故意把管线布置成一个高点，设置排气阀，参照相关软件水锤计算的结果，并做适当的保守估计，水平段一般在600～1000m设置一处排气阀[4]。
2.2箱式双向调压塔
箱式双向调压塔关键采用了上下不等面积活塞增压的原理。箱式双向调压塔的调压方式是在其活塞上部承受箱内水深的压力，活塞下部承受管道压力，活塞上部面积大，下部面积小，且其面积的比值根据箱式调压塔的水深即高度要求和管道内压的大小决定。在正常运行时，管道内压等于或小于其最大设计水压，活塞上部总压力大于或等于管道对活塞下部的总压力，活塞静止不动，被压在阀座上，并保持活塞与阀座间的密封。当管道内产生水锤时，管道内压大于最大正常运行设计压力，管道对活塞下部的内水总压力大于水箱内水对活塞上部的总压力，从而使活塞向上运行，管道內水从活塞上的导流孔流进水箱，并从水箱溢流管流出，从而起到泄压的作用；当管道压力恢复正常，即等于或小于最大正常运行水压时，活塞下移复位，重新封住阀座不使管内水外流；当管道内出现负压时，活塞下部的单项密封板开启，使箱式调压塔内的水注入管道，消除可能出现的断流空腔，以预防和消除断流弥合水锤。也就是当管道发生意外水锤高压时，释放超高压力，当管道出现负压时，可向管道注水，對系统起稳压作用或消减断流弥合水锤。箱式双向调压塔一般装设于泵站汇水总管，或输水管道易发生水柱中断的高点或折点处，调压塔的 一般为2-5m，其泄压值一般为“最大使用压力+0.1～0.15MPa”[5]。
3.工程实例
现对一工程实例采用特征线法，确定边界条件和已知参数继而编制水锤计算程序，具体地分析长距离输水工程中的水锤防护措施。
3.1压力流输水工程
本工程为罗埠河取水一输水工程，设计流量近期为5万m3/d，流量远期为10万m3/d，按远期考虑。项目采用水泵加压方式输水，其中取水泵站处设有3台泵（2用1备），取水泵站处水泵流量2088m3/h，扬程49m，配套电机N=450kW，输水管线全长约12.8km，单管敷设，管材为DN1200mm球墨铸铁管，承压值定为1.6MPa，沿线设有排气阀、泄水阀、检修阀等。现采用两种水锤防护方案：第一种：管路中只使用普通排气阀的水锤防护措施；第二种：管路中使用普通排气阀和箱式双向调压塔结合的水锤防护措施。具体分析如下：
管路稳定运行时的压力包络线如下图1所示：
管道承压值取1.6Mpa。从图1可以看出，输水系统正常运行时，压力线始终在管中心线标高和管道承压值之间，管道压力稳定。
该工程只采用普通排气阀时的压力包络线如下图2所示：
事故停泵，水泵出口阀门分两阶段关闭，快关时间10s，快关角度70°，总关阀时间120s时的压力包络线。
排气阀设在输水管道隆起点上，管线平缓处每800至1000米设置一个。
从图2中明显可以看出最大压力线超过了管道承压值，最大处甚至达到了329.18m水压，易发生爆管。
该工程采用普通排气阀和箱式双向调压塔结合时的压力包络线和水泵倒转速如下图3所示： 普通排气阀的位置同上，并设置1座箱式双向调压塔，调压塔桩号为K0+000。
从以上图3、图4可以看出，改用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式后，即使发生水锤，整个管路的最大压力也全部降低到承压值以内，水泵倒转速不超过额定转速的1.2倍，管道压力线平稳安全。
3.2重力流输水工程
黄岗水库永定灌区，位于永定区东北部的低山丘陵与盆地交错地带。灌区骨干工程运行至今已有40～50年的历史，目前，工程设施普遍存在老化失修等问题，严重影响着灌区效益的充分发挥和水资源的有效利用，需对灌区渠道进行节水配套改造，合理调配水资源，为当地农业综合开发土地治理项目提供水利灌溉保障。黄岗水库永定灌区现有干、支渠7条，其中干渠2条，总长21.02km。输水管设计的主管材采用PVC管和球墨铸铁管，出水管为DN800mm的管径。本项目的建设能够为灌区管理体制改革顺利进行提供保障，合理调配水资源，在保证黄岗水库现有供水任务情况下，新增2万m?/d的生活供水提供保障，同时，也是可持续协调发展的必由之路。合理调配水资源，为当地农业综合开发土地治理项目提供水利灌溉保障。
从图中明显可以看出管线首段最大压力线超过了管道承压值，易发生爆管。
该工程采用普通排气阀和箱式双向调压塔结合时的压力包络线如下图：
普通排气阀的位置同上，并设置2座箱式双向调压塔，调压塔桩号为K10+950和K18+725。
从以上图5、图6可以看出，改用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式后，即使发生水锤，整个管路的最大压力也全部降低到承压值以内，管道压力线平稳安全。
结论
结合工程实例，经电算法验证后可以看出，当只采用普通排气阀时管路最大压力超过管路承压值，采用箱式双向调压塔和普通排气阀结合的方式可以有效防止水锤事故的发生，使管路稳定、安全运行，对长距离输水工程的安全运行具有保障。因此，经计算机动态模拟，从而确定出合理的水锤防护措施，对管道安全运行起着至关重要的作用。
参考文献
[1]赵洪宾，严煦世.给水管网系统理论与分析.北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2]金锥，姜乃昌，汪兴华等.停泵水锤及其防护.北京：中国建筑工业出版社，2004.
[3]许海平，诸育才，施练东.大型泵组事故停机中水锤防护及对策.给水排水，2009，35：286～288.
[4]张亚平，张洪光.PCCP管用于长距离输水工程的探讨.给水排水，2010，36（7）：115～117.
[5]董茹，楊玉思，葛光环等.长距离加压输水工程停泵水锤防护方案对比研究.给水排水，2016，42（3）：119～121.
作者简介：
徐明（1983——） 男，工程師，西安市政设计研究院有限公司，主要从事市政给排水工程设计和研究。