长距离输水工程水锤防护分析和工程实践

摘要：长距离输水管道工程，因其地势高差起伏较大，扬程较高，易发生水柱分离并造成水锤危害。因此长距离输水管道工程的设计重点之一就是水锤防护的研究和安全防护。本文结合工程实例对水锤防护问题进行探讨和分析。寻找进行优化防护设计及最优方案。

关键词：高位水池；断流弥合水锤；水锤防护；箱式调压塔；恒速缓冲排气阀

Abstract: the amount of transporting water pipeline engineering, because of its relief and bigger difference, where the head high, easy to have the separation and the water caused by water hammer hazards. So long water pipe of engineering design is one of the key water hammer protection of research and safety protection. Combining with the project examples of water hammer protection problems are discussed and analyzed. Looking for optimization protection design and the best plan.

Keywords: high pools; To flow to bridge the water hammer; Water hammer protection; Box pressure regulating tower; Constant speed buffer discharge valve

中图分类号：TV672文献标识码：A文章编号：

1、前言

随着经济建设的发展，水资源的日益短缺，为了解决生活和工业用水的水源问题，近年来高扬程、大流量、长距离地形复杂的输水管线工程实例日益增多。为了保证此类工程的安全性，如何优化工程设计，保障长距离输水管线系统的安全运行，免遭水锤破坏成为工程设计中非常重要的问题。

本文通过作者实际工程设计实例和水锤防护理论的结合与应用，探讨关于水锤防护的工程设计优化和水锤防护方案。

2、工程概况

2.1工程基础条件

2010年某大型国企在F市建设大型煤制天然气项目，总投资约270亿。该项目利用原水中的氢源和煤中碳源作为主要原料合成天然气。因此稳定可靠的水源成为项目配套工程的很重要组成部分。配套输水工程就存在距离长，地势高差起伏大，地形复杂等特点。

2.2工程设计及水锤防护设计条件

该工程因为水源的不充分和供水水源安全考虑，提供双水源。第一水源：建设方收购当地污水处理厂，提供10万吨/日中水。第二水源：由当地供水主水源的长输原水管线取水10万吨/日的原水。双水源根据厂区用水工艺和性质不同，独立供水并线铺设。分别采用双排布置，保证事故时单个水源满足70%的事故供水率。

线路全长36.8km；DN800内外防腐涂塑钢管；方案初步计算确定采用两级加压，一级加压泵站扬程102m，二级加压泵站扬程93m；全程高点设置高位水池。

3.工程特点和水锤防护方案的初步确定

本工程属于长距离、高扬程、多起伏、大管径 输水工程，存在两个水泵加压段与重力流段结合的输水工程，归纳历来的工程实践，我们发现当管道受坡度、管壁粗糙度变化以及弯管、各类管道配件的影响，管道中的气体尤其是以气囊形式存在于有压管道的气体，它们在随水流动的过程中，分散聚合，极易产生断流弥合水锤，引发爆管。气囊引起的气爆压力最高可达20～40个大气压，其破坏力相当于静压40～80个大气压，足以破坏管道结构，引起事故。

常用的水锤防护措施概括起来主要有：调压塔（单、双）、空气罐、真空破坏阀、各类排气阀、超压泄压阀等。综合边界条件必选，初步确定第一方案如下：（另采用两个方案进行比选，过程不加叙述）

（1）水泵加压输水系统防护措施：采取水泵出口缓闭止回阀、缓冲排气阀、箱式双向调压塔等作为主要水锤防护方法。

（2）重力流输水系统防护措施：缓冲排气阀、减压恒压阀、箱式双向调压塔等防护措施。

4、水锤防护方案及分析计算：

4.1分析计算内容

(1)正常小流量运行工况分析及断流水锤防护，包括：防护方案的比较, 相应的水力计算，防护方案确定，有关设备类型、参数的确定或建议。

(2)启泵断流水锤防护方案及排气的分析计算内容

根据本工程的长距离管路纵断面情况，系统发生突然停泵后可能造成多处水柱中断，且可能有较长管段处于水气相间状态。因此，该系统的启泵水锤防护应重点放在平稳排气、防气爆型断流水锤，包括初次充水、短期停水检修及突然停泵后再次启动等几种工况。且其重点是停泵后再次启泵，且应结合管道水泵机组、排气阀等做出最优防护方案及操作规程。

(3)运行中流量调节水锤防护方案的分析计算。

主要包括：逐台增、减工作水泵对管道流量压力的影响分析，是否造成管道断流及产生弥合水锤的分析计算。分析最佳开、停泵操作程序等。

(4)停泵断流水锤分析计算。

4.2 压力流停泵、重力流关阀水锤计算与分析

压力流停泵工况和重力流关阀工况等事故工况，及易引起管道断流弥合水锤，是最不利的工况。本工程重点针对这两种最不利工况进行计算分析。同时针对小流量运行时，各种不利工况进行了演算，结果证明满足压力流停泵、重力流关阀的最不利工况下水锤防护有效，即可涵盖小流量工况的安全运行条件。

4.3 节选部分计算流程如下：

4.3.1 压力流停泵计算与分析

以中水输水管线一级加压段为例进行论述。

根据管路中每隔800～1000米、并考虑在管线凸起处安装排气阀的原则，通过调整水泵出口端缓闭止回阀两阶段关闭时间和关闭度进行试算，缓冲排气阀闭合流速为0.3m/s，水泵出口处（桩号0）缓闭止回阀快关角度为60、70度，缓闭止回阀快关5～10s，总关60～360s不同组合情况下最大水头包络线和最小水头包络线管道水锤升压的变化情况试算12种工况，其中之一如图4-1中所示。

(1)

分别对缓冲排气阀闭合流速0.5、0.8 m/s[注：排气阀的缓冲闭合流速意为排气阀的体积流量等于主管道流量时的主管道相应的水流速度]，缓闭止回阀快关5～10s，总关60～360s不同组合情况下最大水头包络线和最小水头包络线管道水锤升压的变化情况试算12种工况。

经多种工况模拟计算结论：水泵出口处（桩号0+00）安装缓闭止回阀，指定桩号处安装缓冲排气阀。以上为排气阀缓冲闭合流速为0.3~0.8m/s，缓闭止回阀快关5~10s，快关角度60~70度，总关时间60~360s的情况下，管道中的水锤最大和最小包络线。由图看出，缓闭止回阀不同的缓冲闭合流速对于管道中的水锤升压有一定影响，此时通过调整缓闭止回阀的快慢关时间和角度，对于管道中的水锤升压也有影响，且在合适的缓冲闭合流速和快慢关时间角度下，可对水泵出口及其它管段起到压力降低降作用。