长距离输水系统水锤防护研究

[摘 要]长距离有压输水管道易发生水柱分离水锤危害，尤以高扬程多起伏管道水锤防护难度最大，发生水锤的可能性最大。根据长距离高扬程多起伏输水管道系统的特点和多年经验，这种管道水锤防护的重点是消除断流弥合水锤，提出有效的水锤防护措施。由于长距离输水工程管线长，管道起伏大，要求输水保证率高，因此工程的安全运行问题越来越受到科研、设计、施工及运行管理人员的重视。水锤是影响长距离压力输水工程安全运行的一个重要因素，不少工程因水锤而引起爆管，产生了严重的经济损失.长距离压力输水工程分为重力输水工程和加压输水工程.本文结合工程水锤特征，并提出了防护措施。

[关键词]长距离、输水系统、水锤防护

中图分类号：TV672+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0033-01

1.水锤定义及特性

1.1 水锤定义

在有压管路中流动的液体，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等）使得液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象称为水锤。

1.2 水锤特性

水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由于启闭时间短、流量变化快，因而水击压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。由于管壁具有弹性和水体的可压缩性，水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。水击波传播过程中，在外部条件发生变化处均要发生波的反射。发射特性决定于边界处的物理特性。

2.水锤产生原因及危害

2.1 水锤产生原因

水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性，产生水流冲击波，就象锤子敲打一样。水流冲击波来回产生的力，有时会很大，从而破坏阀门和水泵。水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。在水利管道建设中都要考虑这一因素。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但没有前者大。

2.2 水锤危害

在长距离输水工程中，水柱弥合水锤的危害较大，输水管道的流速变化是经常出现的，管道中水流速度变化时，致使管道中水压力升高或降低，在压力低于水的气化压力时，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，从而导致管道中的水压力升高，继而形成断流弥合水锤。弥合水锤升值很大，在实验装置观测到的竟达到工作压力的2-4倍，因此对输水安全性的危害很大。

3.水锤防治方法

3.1 缓闭止回阀

缓闭止回阀是止回阀的一种，它是通过缓闭作用来进行水锤防护的。理论和实践证明目前性能较好的是水泵控制阀和液控蝶阀两种。 对于较小管径使用水泵控制阀较好；中等管径两种阀门各有千秋；较大管径一般说来液控蝶阀技术优势更大。缓闭止回阀装设在水泵出口处，其口径与水泵出口口径一致。 高扬程多起伏输水管道，尤其出现管道局部断流时，水流回冲流速较大，缓闭止回阀快慢二阶段关闭角度的确定更为重要。因此，较重要的工程应该经过水锤计算确定其工作参数，缓闭止回阀选用的公称压力等级也应经过计算确定，以增强安全可靠性。

3.2 双向调压塔

双向调压塔是一种兼有注水与泄水缓冲的水锤防护设备，其设置的主要目的是：防止压力输水干管中产生负压，一旦管道中压力降低，调压塔迅速向管道补水。当管道中水锤压力升高时，它允许高压水流入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。双向调压塔结构简单，工作安全可靠，维护工作少，防护效果好。但是造价高，地形和压力限制塔的高度，水质易受污染以及防冻问题阻碍了双向调压塔的使用。

3.3 箱式双向调压塔

箱式双向调压塔完全具有普通双向调压塔的优点，且克服了超压泄压阀存在的拒动作和滞动作等问题，使管道泄压迅速及时，安全程度大幅度提高；当管道内出现负压时，该调压塔可迅速向管道内补水，以防止水柱拉断产生断流弥合水锤。在水锤防护性能上几乎完全等同于普通双向调压塔，而且其高度可大幅度降低，一般仅2～5m即可，从而提高了双向调压塔的使用范围，大大降低了工程造价，对于长距离高扬程多起伏管道是一种安全可靠的水锤防护措施。

3.4 进排气阀和超压泄压阀

对于高扬程多起伏长距离输水管道，工况较复杂对水锤防护要求较高，应采用具有恒速缓冲功能的排气阀。恒速缓冲排气阀是恒速排气，既能保证管道中气体及时排出，又使气体在管道内起到一定气垫的作用，在排气结束时又具有缓闭功能，对消减断流弥合水锤效果明显。

3.5 其他防护措施

在水泵汇水总管处装空气罐，但通常空气罐体积较庞大，对于高扬程的输水系统在压力变化范围较大时不宜使用。在管道上装止回阀，可将管道中水柱人为地截成数段，从而减小每段的作用水头，但浪费能耗，管理维修麻烦，实际工程中很少采用。

4.结语

由于长距离输水管线具有管线长、流量大、扬程高、多起伏等特点，停泵水力过渡过程比较复杂，其最显著的特征就是在管线局部高点或者管段可能发生断流弥合水锤。在断流弥合水锤的发生和发展过程中，负压的存在容易造成管道受压变形以及外界污染物和微生物的入侵，影响输水水质，而弥合升压对管道造成的剧烈的压力振荡容易导致管道的疲劳损坏，并引发爆管事故。因此，必须高度重视事故停泵所引起的断流弥合水锤的分析与防护，并通过详细的数值计算，找到技术可靠、经济合理、管理方便的停泵水锤防护措施。由本文模拟分析及工程实践可知，水击泄放阀可以有效地削减停泵或者关阀引起的正压水锤，跟一个合适尺寸的水击预防阀配套可以进一步提高泵站停泵水锤的防护等级，而注气微排阀可以有效地消除停泵水力过渡过程中的断流弥合水锤。三者可以相互配套应用于高扬程长距离输水管线工程，分别解决正压水锤和负压水锤问题。水击防护阀和注气微排阀结构简单，反应灵敏，性能稳定可靠，在美国已经有40～100年的应用历史，在国内也已经有10～20年的应用历史，对安装点的空间要求不高，耗资少，在停泵水锤防护方面具有相当的技术和经济优势。

参考文献

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