长距离引水工程中的水锤分析设计

陈靖韬,谭建国

(中国联合工程公司,浙江 杭州 310052)

水锤是影响长距离压力输水工程安全运行的一个极为重要的因素。在长距离输水管道中,流速变化是经常出现的,管道中流速变化时,致使管道中水的压力的升高或降低,在压力低于水的汽化压力时,水柱就被拉断,出现断流空腔,在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击,管道中的水升压,形成水锤。水锤是造成输水系统破坏的主要原因,不少工程因水锤而引起爆管,产生了严重的经济损失。本次以江山市峡口水库引水工程为例,介绍长距离引水管道在防水锤方面的设计。

江山市峡口水库引水工程为江山市峡口水库至江山市第二水厂的原水引水工程。设计近期引水规模为10万吨/日,远期引水规模为20万吨/日。引水采用重力引水模式有压输水形式,引水管管径DN1200～DN1600。引水管自峡口水库坝下开始,沿途经过规划江山市第三水厂、峡口镇、凤林镇、莲华山工业区、山海协作区,至江山市第二水厂设计引水管道全长约33.2km。沿线地势起伏较大,管道布置形式有明挖铺设、管桥架空、顶管、水工隧洞、穿渠围堰等。引水管道两端最大高差约140m,易发生水锤现象。

根据项目特点分析,本工程为水库重力流引水,未采用水泵等人工提升措施,引水距离较长,且多次反复穿过山体、农田,地形较为复杂,因此可能出现的水锤主要为关阀水锤、弥合水锤和充水水锤等。以下分别针对不同类型的水锤进行防水锤设计：

1 防关阀水锤设计

在长距离管道的输水系统中,管线上的检修阀、减压阀的关阀都会造成关阀水锤。压力管道中的水流由于阀门关闭,水的动能造成阀前压力急剧上升,并在管线中传播,寻求薄弱点破坏管道[1]。

一般来说关阀水锤产生的水锤波从关阀位置向系统末端来回反复传输若干个周期造成破坏,为防止关阀水锤的产生和破坏,则要控制水流的动能。因此可采用控制阀门关闭时间的方式来控制水流速度,从而达到控制水流动能的效果。

根据计算,在10～15个水锤周期内阻止水的流动,可以大幅降低水锤发生的强度。因此针对本工程各阀门所处系统的位置,计算确定控制阀门缓慢关闭的时间,并在阀门前安装水锤泄放阀,可有效防止水锤破坏。水锤周期的计算如下：

T=2*L/a

式中：T—水锤周期。从水锤发生开始位置传输到系统末端并返还到起始位置的时间,s；L—水锤发生点所在封闭管段的长度,m；a—水锤波在管道中的传播速度。

1.1 近期输水工况下未设置防护措施的沿程管道压力包络线

本次关阀水锤设计中,采用KYPipe2012水锤分析软件模拟分析出整条管道系统在多种工况时的管道压力包络线及管道末端的压力波动情况。

本次设计分别模拟末端阀门关阀180s～210s的工况。图中蓝线代表管道,红线为稳态运行时管道沿程测压管水头线(HGL),灰线显示模拟关阀水锤工况沿程管道每个点的最大及最小压力,即压力包络线。详细如下：①末端阀门180s关闭工况。从图1.1中可知,在末端阀门180s关闭的工况下,管线的正向水锤作用非常明显,整条管线的承压级别都要远高于2.0MPa,如果按照管材的1.6MPa的压力等级来考虑的话,在管道的薄弱处发生爆管的可能非常大；②末端阀门210s关闭工况。从图1.2中可知,在末端阀门210s关闭的工况下,整条管道绝大部分的正向压力均处于压力包络线内,除尾部处于超压状态(即绿色管道承受最高压线在压力包络线内)外。蝶阀的关闭时间延长后可以明显减少水锤的发生,除此,建议适当对整个系统增加防护措施来减小水锤破坏的可能性。

图1.1 末端阀门近期180s关闭工况(未设置防护措施)

图1.2 末端阀门近期210s关闭工况(未设置防护措施)

1.2 近期输水工况下已设置防护措施的沿程管道压力包络线

根据以上模拟分析,在整个管道系统上设置水锤防护措施如下：在末端蝶阀的上游处设置快速泄压阀并列安装,当压力超过1.5MPa时,阀门开启释放压力。

根据管线敷设沿线地势设置了一定数量的空气阀,再进行模拟计算：①近期工况末端阀门240s关闭工况。如图1.3可见,水锤防护措施发挥作用后,显著地减弱了水锤效应,管道末端的压力波动控制在0.02-0.5MPa内,使得管道的内的最高压力明显减小；②远期工况末端阀门240s关闭工况。同样防护措施应用于远期流量设定为8750m3/h,如图1.4可见水锤防护措施发挥作用后,显著地减弱了水锤效应,管道末端的压力波动控制在0.02-1.2MPa内,在管道承压等级范围内。

图1.3 末端阀门近期240s关闭工况(设置水锤防护措施)

图1.4 末端阀门远期240s关闭工况(设置水锤防护措施)

综上所述,增加了水锤防护措施,并将关阀时间控制在240s以上时,整条管道无论在近期或远期流量发生关阀水锤时,管道全段压力波动值均在管道承压等级范围内,可以保证管道的安全运行。

2 防弥合水锤设计

所谓弥合水锤,即由于管道中水柱分离形成负压,负压会将分离水柱重新拉回撞击,造成管道压力上升的现象。通常在管线的最高点和拐点最容易出现弥合水锤[2]。

解决弥合水锤的唯一途径是防止负压形成。可以通过对负压区补水或补气的方式来防止负压形成。对于本工程,峡口水库至G205省道段为山体、田地反复出现,如果采用补水的方式消除弥合水锤,则需要在各山坡高点处设置空气压力罐,虽然防止效果较好,但即有造价较大的问题,也容易丢失、损坏,不利于维护管理。因此本工程主要考虑采用补气的方式消除弥合水锤对管道的破坏。

因普通的排气阀在弥合水锤发生时的补气速度没有负压形成的速度快,负压已经造成分离的水柱弥合,消除水锤效果不好。本工程设计时采用高速复合式双口排气阀来解决弥合水锤的问题。高速复合式双口排气阀是一个可快吸慢排的阀门在分离水柱弥合时,阀门不会大量排气,让空气停留在回流水柱之间,对回流水柱起到缓冲作用,防止回流水柱弥合,因而消除弥合水锤。

本工程在管线穿越较高山体的高点均设置高速复合式双口排气阀组。

3 防充水水锤设计

充水水锤是指在长距离输水管线中,由于管道上一次通水运行后,会在地势较低的输水管线中沉积大量水,在下一次通水时,输水管线中快速流动的水,会对地势较低的沉积水,产生巨大的冲击力,从而对管道造成破坏。解决充水水锤的办法就是控制充水速度,对于本工程重力流输水系统,本次设计时将系统用检修阀分成多段,在检修阀旁并列设置旁通充水管道,充水管道的口径宜为主管径的1/4。

4 结论

通过以上的模拟计算及分析研究,可以看出本工程中主要可能发生的水锤为关阀水锤、弥合水锤、充水水锤。通过控制末端阀门的关阀时间保证在240s以上,可有效保护管道及附件不受关阀水锤影响；弥合水锤需设置复合式排气阀解决,保证管道各种工况下可高速进出气；防充水水锤主要依靠旁通充水管及人为控制充水量和流速控制解决。此三类水锤控制后,可有效缓解长距离(重力式)引水工程的水锤现象。

[1]朱满林,沈冰,张言禾,王涛.长距离压力输水工程水锤防护研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2007(1)：40-43.

[2]钟瑞.长距离输水工程有关技术问题的探讨[J].江西建材,2015(18)：134-134．