高扬程长距离输水管线停泵水锤分析与防护

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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

2、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μ1＝7454×2/1171.6＝12.72S；或A114#节点发射μ2＝12242×2/1171.6＝20.9S。吸水池水位339m，水泵200m@70L/

3、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：ΔZ＝493-340＝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

4、坡度i=3.05‰。请注意图1所示的节点编号。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（2）动量方程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”（WaveCharacteristicMethod，简称WCM），以瞬态管流源于管道系统水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Jo

5、urnalAWWA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，即影响不敏感），关闭的快慢与管线压力的变化、水

6、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(≈2μ1)缓闭5％，偏向于快闭的二阶段关阀方案；B:3S快闭95％，10S(≈0.8μ1)缓闭5％，接近于投产后的实际运行工况；C:5S快闭90％，64S(≈5μ1)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

7、方案A图2为事故停泵后止回阀节点的水击压力历时曲线，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图3方案A整条管线的水击包络线图4方案A水泵流量历时曲线图5方案A水泵转速历时曲线（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

8、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（μ1＝7454*2/1171.6＝12.72S）。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