长距离供水工程水锤防护效果研究

郭亚丽

（太原城市职业技术学院，山西 太原 030027）

长距离供水工程的水源通常在数10 km 以外，甚至更远。由于地形和其他建筑物的限制，管线纵断布置波动经常变化很大。长距离供水管道的安全运行是一个普遍而重要的问题[1]。在泵站系统中，由于泵的突然启动、停止以及调节阀突然故障等，都会发生水锤现象。过高的正负压均可能导致管道爆管和坍塌，过快的水泵倒转可能烧坏机电设备，造成重大经济损失，甚至威胁生命安全[2]。为了防止水锤破坏管线、烧坏机电设备，多种防水锤装置已经投入使用，例如液控蝶阀、空气阀、空气罐等。液控蝶阀和空气阀具有体积小，价格低，安装方便等优点，在工程中得到广泛应用，取得了明显成效[3]。但是，长距离供水工程由于水锤引发的事故仍时有发生，水锤防护仍是研究的重点问题。本文主要研究水锤在液压蝶阀和空气阀之间的联合防护。

1 数学模型建立

1.1 水锤计算模型

水锤的基本方程包括运动方程和连续性方程。它们是两个非线性双曲型偏微分方程组。通常特征线方法用于求解方程[4]。

式中：g为重力加速度，9.805 m/s2；H为节点压力，m；x为位置坐标，m；v为流速，m/s；t为时间坐标，s；f为摩擦系数；D为管径直径，m；α 是管道与水平面之间的角度，°；a是水锤波速，m/s。

1.2 液控蝶阀边界条件

蝶阀也称为翻板阀，通常安装在泵出口处。液控蝶阀通过液压系统控制阀门的关闭规律，具有控制性好，调节范围大，适应性强，水锤防护效果好等优点，因此在实际工程中得到广泛应用。两阶段关闭液控蝶阀关闭特性如图1 所示。

图1 两阶段关闭液控蝶阀关闭特性

如果快速关阀的时间为T1，角度为θ1，慢速关阀的时间为T2，角度为θ2，两阶段液控蝶阀的特性如下[5]：

不同关闭角度下的蝶阀水头损失为：

式中：ξ（θ）是阻力系数；QP是流入节点流量，m3/s；A（θ）是液控蝶阀的面积，m2。

1.3 空气阀边界条件

空气阀是一种常见的管路附件，用于在管道充水、排气以及正常运行时的自动排出或吸入空气。合理选择空气阀不仅可以提高管道运行效率，节约能源，还可以保证项目的安全运行。空气阀中的空气流

动是一个非常复杂的动态过程。根据不同的空气流入和流出速度，它分为四个种情况[6]：

空气以亚音速流进：

空气以临界速度流进：

空气以亚音速流出：

空气以临界速度流出：

式中：m为空气质量流量kg/s；Cin、Cout分别为进、排气流量系数；A为进排气面积，m2；n为空气比热比，取1.4；ρ0为大气密度，kg/m3；R为气体常数；T为绝对温度，K。

2 结果与分析

本文模拟某供水泵站的设计流量为0.556 m3/s，管道为26.6 km 的钢管，管径为DN800。泵站有四台泵（三工一备），水泵设计扬程为134 m；设计流量为0.17 m3/s，额定转速为1 480 r/min，转动惯量（GD2）为166.5 kg·m2。进水池的设计水位比出水池低88.95 m。供水管道的纵断面如图2 所示。根据稳态计算结果可知，水泵工作点H0为133.967 m，流量Q0为0.185 m3/s。

图2 管线纵断图

2.1 无阀时停泵水锤

在没有保护措施的情况下，最大和最小包络线如图3 所示。

图3 泵无阀防护时停泵水锤包络线

通过水力过渡过程的计算得到：管道内最大正压为132.86 m，相对压力0.992，最小压力为-10 m，其相对压力为-0.075，倒转流量为-0.573 m3/s，倒流出现时刻为64.4 s，而相对转速比为-0.95。由此看出泵站系统负压、泵倒转转速和倒流流量都很严重。如果不采取适当的保护措施，水泵机组可能由于高速倒转而损坏，上游池可能由于水流倒流过长而造成大量水资源损失，供水管道也可能由于过大的负压而坍塌。压力低于-2m 的桩号为：7+400—8+600，11+600—17+400，18+800—20+800，23+000—26+000，总计12 000 m。

2.2 设置水锤防护措施

2.2.1 设置两阶段液控蝶阀时的停泵水锤

在上述工况下，通过数值模拟，确定了两阶段液控蝶阀的关闭规律为：2 s 快速关闭72°，15 s 关闭18°。通过计算液控蝶阀保护水锤计算结果为管道内最大正压为132.88 m，相对压力0.992，最小压力为-10 m，其相对压力为-0.075，倒转流量为-0.573 m3/s，倒流出现时刻为64.4 s，而相对转速比为0.24，最大和最小头部包络如图4 所示。同未加液控蝶阀时相比，可以发现倒流时间减少了，水泵机组停止了倒转。但是，负压管道长度有所增加，负压还需改善。压力低于-2 m 的桩号为：70+000—88+000，11+200—17+400，18+600—20+800，23+000—26+000，总 计12 600 m。

图4 液控蝶阀防护时停泵水锤包络线

2.2.2 设置两阶段液控蝶阀加空气阀时的停泵水锤

依据《城镇供水长距离供水管（渠）道工程技术规程》空气阀选型设计要求选择所需口径的空气阀，并确定了它们沿管道的位置。在桩号为1+000，2+000，3+000，3+800，4+800，5+600，6+400，6+800，7+200，7+800，8+600，9+400，10+200，11+200，12+200，13+000，13+800，14+200，14+600，15+000，15+400，16+200，17+000，18+000，18+800，19+800，20+600，21+400，22+400，23+200，24+000，24+600，25+400，26+000 处分别安装直径为150 mm 的空气阀（总计34 个），进气系数为0.97，排气系数为0.1。液空蝶阀和空气阀联合防护作用时的最大和最小包络如图5 所示。压力低于-2 m的桩号为：6+400—6+600，6+800—7+000，7+400—7+600，13+200—13+600，13+800—14+000，14+400—14+800，15+000—15+200，15+400—15+600，总计2 000 m，与无阀防护相比减少负压管线长度10 000 m，负压得到明显改善。与此同时，不容忽视一点是管道压力波动有所增加，可能是由于进排气过快引起，在本例中是安全范围内。

图5 液控蝶阀加空气阀防护时停泵水锤包络线

从图6—图9 中可以看出，泵后断面的流量、压力以及泵转速过程线均符合安全运行要求，最危险点（15+400）的负压仍威胁到系统的安全运行，需要进一步采取防护措施。

图6 泵后流量过程线

图7 泵后压力过程线

图8 泵后转速过程线

图9 管道最危险点压力变化过程线

3 结论

一是两阶段液控蝶阀可以减少水流倒泄，防止水泵倒转，但可能加重负压情况。

二是空气阀可以在两阶段液控蝶阀的基础上有效降低负压，但可能也会加剧管道内压力波动，需要合理选型。

三是针对本文模拟工况，虽然正压、泵倒转转度、倒流流量等问题通过液控蝶阀和空气阀联合防护得到解决，负压也明显减少，但进一步消除负压有待进一步研究，空气罐或调压井也行能满足要求。