横泉水库供水管线水锤压力计算分析

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1、横泉水库供水管线水锤压力计算分析王增国（山西省水利水电勘测设计研究院，太原030024）摘要：通过计算机数值计算方法来模拟各种工况条件下输水管路系统的水锤状况，分析可能出现的超常水锤压力情况，校核阀门和压力管路的承受压力，针对计算分析结果采用必要的水锤防护措施，寻求阀门的最优关闭规律，确保整个供水工程的安全运行。关键词：水锤压力、卧式套筒阀、蝶阀、最优关阀规律中文分类号：TV222文献标识码：B1横泉水库供水概述横泉水库位于山西省方山县境内北川河干流上，控制流域面积800km2，总库容8123万m3，是一座以城市生活及

2、工业供水、农业灌溉为主、兼顾防洪、发电等综合利用的中型水利枢纽工程。横泉水库工程主要由水库枢纽、工业供水管线和灌区三部分组成。横泉水库供水管道工程为Ⅳ等4级建筑物，按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，供水保证率为95%。供水线路全长38.5km。设计年供水量2109万m3，设计流量为0.7m3/s。输水管线共设3座减压阀室，1座控制阀室，9座检修阀室，42座排气阀井等其他建筑物，将供水管路划分为2个压力区段。第1压力区段：1号减压阀室（静水池水位1106.00m）至2号减压阀室（进水管中心高程1018.4m），线

3、路长度14km，管道采用DN800玻璃钢管，减压阀为卧式套筒阀，减压阀上游侧设有电动蝶阀和进排气阀，该区段静水头为87.6m。8第2压力区段：2号减压阀室（静水池水位1019.94m）至3号减压阀室（进水管中心高程891.79m），线路长度24.5km，首段14.5km采用DN800玻璃钢管，末段10km采用DN800PCCP管，中部设1座控制阀室，控制/检修阀为电动蝶阀，蝶阀上、下游侧设有进排气阀，该区段静水头为128.14m。设计压力区段划分见图1。图1横泉水库供水工程设计压力区段划分横泉水库供水工程采用重力流自压

4、方式供水，设计中采用套筒式减压阀和电动蝶阀来调节和控制供水管道压力。由于突然开启和关闭阀门所产生的水锤压力往往较大，一般可达正常压力的1.3～1.4倍或更大，对供水管道和阀门的破坏性极强，甚至出现水柱断裂现象，造成的后果无法估量。因此，对于横泉水库供水管线这种长距离、高落差、大口径输水管道的关阀水锤分析就成了该工程安全防护设备选型的主要依据。利用计算机数值模拟计算以上2个区段的水锤压力，可以提供管路内水压力分布状况，即最大水锤压力上升值、最低压力线，提供水锤压力的包络线，最大、最小压力及对应的时间过程，并校核设计方案的

5、合理性，提出供水系统压力管路安全防护的最优关闭行程和安全运行的保护措施。利用计算机数值模拟计算水锤压力不但能缩短供水工程设计周期，降低试验费用，而且可为供水工程安全运行和优化设计方案提供技术依据。2模拟计算的工况优化8根据横泉水库供水设计方案，管道供水计算流量分别取：最小流量0.25m3/s，设计流量0.70m3/s，加大流量1.0m3/s。计算机模拟计算的工况优化主要是探索在系统运行条件下（计算流量不同），优化网孔套筒式减压阀和蝶阀防护下对于该系统压力管路安全防护的最优关闭行程。网孔套筒式减压阀属于特定条件下，特殊工

6、艺制造的水锤防护设备，按照设备出厂实验的基本技术要求，必须计算减压阀零流量的时刻，以实现减压阀的线性关闭，从而实现最大水锤压力的消除，然后据此确定减压阀的关闭过程，确保系统在该时段内安全泄流。套筒式减压阀的阀门关闭特性曲线按照指数关闭规律来进行模拟计算，关阀指数分别取y=1，y=1.5，y=2。关阀特性曲线见图2。图2减压阀关阀特性曲线蝶阀计算工况的确定：当系统处于正转正流的工况下减速运行时，管中流速减小，压力降低，此时关阀将加剧压力降低，由于蝶阀在大开度范围内，开度系数τ变化率很小，故降压并不明显；因此，在事故工况下

7、，阀门先快关至一定角度，以控制最大倒泄流量；随后阀门缓慢关闭至全闭，由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，到达控制最大水锤升压的目的。缓闭蝶阀的关闭特性如下：设缓闭止回阀快关时间为T1，快关角度为Ф1，慢关时间为T2，慢关角度为Ф2，如图3所示，则任意瞬时T的关闭角度可由以下方法获得：8图3缓闭蝶阀两阶段关闭过程根据两阶段关闭蝶阀的特征，建立了两阶段缓闭蝶阀计算的数学模型。一般情况下，取快关时间等于或接近于正转正流水泵工况达到流量为零的时间，慢关时间约为快关时间的1.4～1.7倍。3系统关阀

8、水锤计算结果及分析3.1第1压力区段根据《水力学计算手册》（第二版）中的水锤波波速计算公式可得：此段水击波速Co=929.49m/s，分50段计算，稳态工况压力87.6m。1）采用套筒式减压阀时的关阀水锤计算。在不同流量工况下，分别取摩阻系数f=0.0089、0.009和0.0095，计算不同关阀指数、不同关阀时间的管道水锤压力值