秦皇岛市引青输水管道系统水锤分析

邬龙，赵志才，王艳艳

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.天津普泽工程咨询有限责任公司，天津300204）

秦皇岛市引青输水管道系统水锤分析

邬龙1，赵志才1，王艳艳2

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.天津普泽工程咨询有限责任公司，天津300204）

鉴于引青输水管道系统输水管线长、地形起伏大等问题，水锤分析计算对工程安全运行具有重要意义。根据引青输水管道系统的输水特征、各取水点取水量等特点，分析了3组不利工况，各个工况下拟定不同的阀门关闭时间，采用特征线法进行分析计算。结果表明，输水管道末端海港水厂进水阀的关闭对管道安全影响最大，最佳关阀程序为均速15 min缓慢关阀，且运行过程中应避免海港、深河、北戴河西水厂进水阀的同时关闭。

秦皇岛；引青输水管道；水锤；特征线法

水锤是管道水流流速发生变化而产生的压力波，与流速的变化率有关。水锤压力增加过大，会使管道超压破坏；水锤压力减小过多，会使液柱分离，甚至管道结构失稳破坏；液柱分离后形成空泡，而空泡破灭瞬间产生水锤压力也会破坏管道。为此，有必要进行水锤分析计算，以控制管道最大压力不超过设计压力，避免水锤压力波造成管道破坏。这里，将对秦皇岛市引青输水管道系统拟定不同关阀工况和阀门关闭时间进行水锤分析。

1 工程概况

自2000年以来秦皇岛市先后实施了引青济秦东线扩建一、二期工程、引青东西线对接工程、引青西线改造工程，2015年开始实施引青济秦扩建三期工程，进一步提升了引青水源向秦皇岛市的供水保障能力。

水锤分析对象为上起燕窝庄小水库取水口、下至海港水厂的引青输水主干线（不含各水厂的取水支线），输水线路全长约57km，计算管道总长度约157km，其中隧洞长约6.7 km。管材主要采用预应力钢筋混凝土管，穿河及多起伏地段采用钢管；管径采用DN1200、DN1400、DN2200和DN2500进行多种组合。

燕窝庄小水库取水口处管道中心线高程为74.22 m，水位为78.73 m；管道末端海港水厂进水口处管道中心线高程为14.70 m；输水管道沿线节点高程依据实际设计高程值输入模型中。

模型计算时，按规划水平年输水管线总设计流量为52.4万m3/d计，沿线有引洋入抚、深河水厂、北戴河西水厂、北戴河水厂、富士康项目、海港西水厂、同和热电厂、汤河水厂、首秦板材、北部工业园、海港水厂共11个取水点。本次模型计算水量分配方案，如图1所示。

图1 引青济秦管道系统水量分配方案（单位：万m3/d）

2 水锤分析方法

特征线法是泵站及管路系统水力过渡过程分析与计算的主要方法，其主要思路是将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组转化为在特征线方向上的常微分方程组（特征方程），沿特征线进行积分，得到有限差分方程式，根据给定的初始边界条件，应用计算机采用有限差分进行数值计算。

（1）特征线方程组为：

式中：X为管道水平方向的坐标（顺水流方向为正）（m）；t为时间（s）；a为水锤波传播速度（m/s）；H为管道内压力水头（m）；V为管道内流速（m/s）；α为管道与水平线的夹角（°）；f为管道摩阻系数；g为重力加速度（m/s2）；D为管道直径（m）。

（2）简化的相容性方程（有限差分方程式）为：

式中：B为特征阻抗，B=a/(gA)；R为当量摩阻系数，R=fΔL/(2gDA2)；QA、QP、QB为管道中A、P、B断面的流量（m3/s）；HA、HP、HB为管道中A、P、B断面的压力水头（m）；g为重力加速度（m/s2）；D为管道直径（m）；A为管道断面积（m2）；ΔL为管道计算分段长度（m）；a为水锤波传播速度（m/s）；f为管道摩阻系数。

上面两式相减得：

经试算求得Qp，再求Hp。

（3）初始边界条件。调流阀的过流特性曲线为直线，其计算公式为：

其中：

式中：Q0为阀门流量（m3/s）；ΔH0为阀门处的水头损失（m）；τ为阀门开度；其余符号意义同前。

3 水锤分析计算

3.1 计算工况

根据引青东线输水特征、各取水点取水量等特点，本次水锤分析主要拟定如下几种不利情况进行分析计算。方案一：海港水厂进水阀关闭；方案二：海港、汤河水厂进水阀同时关闭；方案三：海港、深河、北戴河西水厂进水阀同时关闭。类比其他工程，拟定不同的阀门关闭时间，进行水锤压力计算。

3.2 水锤计算

3.2.1 海港水厂进水阀关闭工况

根据规划，海港水厂分别由引青管线与石河水库供水，其中引青管线供水规模为12.13万m3/d。

（1）海港水厂进水阀门1 min匀速关闭。海港水厂进水阀1 min匀速关闭，水锤压力包络线如图2所示。图2中上部的实线为管道最大压力线，中间的点划线为最小压力线，下部的实线为管道中心线。从图2可知，管道末端水锤波较为显著，末端最大水锤压力水头为60 m，较正常输水增加约39 m，管道相对压力水头为45.3 m；管道最小压力线与恒定流状态下的压力线基本重合，管道沿线未出现负压。引青应急工程输水管线部分管段的最大水压力均超过0.4 MPa，最大水压力可达到0.53 MPa，超过了应急工程管道的设计压力（应急输水管道的设计压力值为0.4MPa）；引青三期扩建管道最大水压力为0.32 MPa。

图2 海港水厂进水阀1 min匀速关闭水锤压力包络线

图3 海港水厂进水阀5 min匀速关闭水锤压力包络线

（2）海港水厂进水阀门5 min匀速关闭。海港水厂进水阀5 min匀速关闭，水锤压力包络线如图3所示。从图3可知，与1 min关阀的情况相比，管道末端水锤波减缓较为显著，末端最大水锤压力水头为34.74 m，较正常输水增加14.04 m，管道相对压力水头为20.04 m。引青应急工程输水管线管道最大水压力为0.3MPa，出现在扩建三期管段末端（里程约34+700处）。由于应急管道最大水压力未达到0.4 MPa，因此可确保输水管线的安全运行。

（3）海港水厂进水阀门15 min匀速关闭。海港水厂进水阀15 min匀速关闭，水锤压力包络线如图4所示。与5 min匀速关阀相比较，水锤压力线略有下降，末端最大水锤压力水头为28.75 m，较正常输水增加8.05 m。引青应急工程输水管线管道最大水压力为0.29 MPa，均未超过0.4 MPa，可确保应急输水管道的安全运行。

图4 海港水厂进水阀15 min匀速关闭水锤压力包络线

（4）海港水厂进水阀门30 min匀速关闭。海港水厂进水阀30 min匀速关闭，水锤压力包络线如图5所示。从图5可知，末端最大水锤压力水头为27.79 m，与15 min匀速关阀相比较，水锤压力线下降并不明显，仅下降0.96 m水头，降幅约3.3%。

图5 海港水厂进水阀30 min匀速关闭水锤压力包络线

3.2.2 海港与汤河水厂进水阀同时关闭

汤河水厂设计供水规模为5.51万m3/d（含水厂自用水量0.25万m3/d），水源全部来自引青输水干线。针对海港与汤河水厂进水阀同时关闭这种极端不利工况，分别拟定5、15、30 min关阀进行分析计算。

（1）海港、汤河水厂进水阀5 min同时关闭。海港、汤河水厂进水阀5 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图6所示。从图6可知，海港管道末端水锤波最为显著，末端最大水锤压力水头为39.33 m，较正常输水增加18.63 m，与海港水厂5 min单独关阀相比，增加4.59 m；汤河水厂取水口（引青输水干线）最大水锤压力水头较正常输水增加15.62 m。引青输水管线沿线最大水压力为0.34 MPa，出现在海港水厂前端约650 m处的应急管线中；引青三期扩建管道最大水压力为0.32 MPa。

图6 海港与汤河水厂进水阀5 min同时匀速关闭水锤压力包络线

（2）海港、汤河水厂进水阀15 min同时关闭。海港、汤河水厂进水阀15 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图7所示。从图7可知，海港管道末端最大水锤压力水头为33.83 m，较正常输水增加13.13 m；汤河水厂取水口（引青输水干线）最大水锤压力水头较正常输水增加15.42 m。与5 min匀速关阀的情况相比，海港水厂进水处水锤压力下降明显，而汤河水厂取水口处水锤压力下降不明显。引青输水管线沿线最大水压力为0.32 MPa，出现在扩建管段位置。

图7 海港与汤河水厂进水阀15 min同时匀速关闭水锤压力包络线

（3）海港、汤河水厂进水阀30 min同时关闭。海港、汤河水厂进水阀30 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图8所示。从图8可知，其与15 min匀速关阀水锤压力线基本一致，最大水锤压力没有明显下降。管道沿线最大水压力为0.32 MPa。

图8 海港与汤河水厂进水阀30 min同时匀速关闭水锤压力包络线

3.2.3 海港、深河、北戴河西水厂进水阀同时关闭工况

为保障管道运行过程中针对各种复杂不利情况均能保持安全可靠运行，本节拟定海港、深河、北戴河西水厂同时关阀的情况，分析管道最大压力变化情况。

（1）海港、深河、北戴河西水厂进水阀5 min同时匀速关闭。海港、深河、北戴河西水厂进水阀5 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图9所示。从图9可知，海港及深河、北戴河西水厂取水口管道末端水锤影响最明显，海港末端最大水锤压力水头为38.0 m，较正常输水增加17.3 m；深河、北戴河西水厂取水口（即引青扩建三期管道末端）最大水锤压力水头为44.83 m，较正常输水增加8.79 m。引青输水管线沿线最大水压力为0.367 MPa，出现在扩建管段末端位置；海港水厂取水口前管段的最大水压力为0.32 MPa。

图9 海港、深河、北戴河西水厂进水阀5 min同时关闭水锤压力包络线

（2）海港、深河、北戴河西水厂进水阀15 min同时匀速关闭。海港、深河、北戴河西水厂进水阀15 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图10所示。从图10可知，海港末端最大水锤压力水头为32.94 m，较正常输水增加12.24 m；深河、北戴河西水厂取水口（即扩建管道末端）最大水锤压力水头为44.47 m，较正常输水增加8.43 m。引青输水管线沿线最大水压力为0.367 MPa，出现在扩建管段末端位置。

图10 海港、深河、北戴河西水厂进水阀15 min同时关闭水锤压力包络线

（3）海港、深河、北戴河西水厂进水阀30 min同时匀速关闭。海港、深河、北戴河西水厂进水阀30 min同时匀速关闭，水锤压力包络线如图11所示。从图11可知，海港末端最大水锤压力水头为32.44 m，较正常输水增加11.74 m；深河、北戴河西水厂取水口（即扩建管道末端）最大水锤压力水头为44.32 m，较正常输水增加8.28 m。引青输水管线沿线最大水压力为0.366 MPa，出现在扩建管段末端位置。

图11 海港、深河、北戴河西水厂进水阀30 min同时关闭水锤压力包络线

从计算结果可知，当海港、深河、北戴河西水厂进水阀关闭时间超过5 min时，可以显著减小水锤压力波对管道的影响；当关阀时间超过15 min时，关阀操作规程对水锤波的消除影响甚微。

3.3 计算结果分析

（1）从不同工况的计算结果可以看出，输水管道末端海港水厂进水阀的关闭对管道安全影响最大。

（2）从多种关阀程序的试算结果可以看出，关阀过程必须缓慢，最佳关阀程序为均速15 min缓慢关阀，可以有效地避免关阀水力过渡过程中压力升高，控制水锤升压，确保系统安全。

（3）根据试算，对于海港与汤河水厂进水阀同时关闭这种极端不利工况，当关阀时间超过15 min（匀速关闭）时，引青应急管道及引青三期扩建管道的最大水压力均不会超过0.32 MPa，可保证管道的安全运行。

（4）在运行过程中应避免海港、深河、北戴河西水厂进水阀的同时关闭。

4 结论

引青输水管道是秦皇岛市长距离输水管道系统，输水距离较长且地形起伏较大，容易出现水锤现象，对输水安全造成极大危害。利用特征线法进行了不利工况下的水锤计算分析，提出工程运行中如何通过阀门操作避免水锤现象的发生。

[1]肖伟，郑彪，刘富峰，等.新疆某供水工程停泵水锤计算与防护措施选择[J].水电能源科学，2016，34（1）:170-172．

[2]李建刚，蒋劲，范征，等.长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响[J].水电能源科学，2014，32（10）:155-158．

[3]唐均，张洪明，王文全.长距离有压输水管道系统水锤分析[J].水电能源科学，2010，28（2）：23－25．

[4]张祎庆.长距离液相输送管道水锤现象分析、计算和防护[J].化工工艺与工程，2015，36（1）:11-14．

TV672+.2

A

1004-7328（2016）06-0050-05

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.016

2016—07—10

邬龙（1985—），男，工程师，主要从事水利规划、环境影响评价工作。