水锤防护措施（精选5篇）
水锤防护措施 篇1
0 引言
由于社会的迅速发展、人民生活水平的不断提高以及城镇化进程的加快, 城市的需水量近年来增加迅速, 就近取水已远远不能满足城市人民生活和生产的需要, 为满足城镇用水, 以南水北调工程为显著标志的跨流域调水、远距离输水系统长管道输水也越来越多地应用到生活中, 长距离输水管线将呈现出起伏变化复杂的特点。而在输水管路系统发生事故停泵、阀门快速关闭等故障时, 在管道系统中将产生剧烈的压力升高和降低的水力瞬变现象, 即是我们通常所说的水锤现象。水锤事故给我们的生活造成了严重的损失。
1 水锤成因及其方程
1.1 水锤成因
水锤又叫水击, 是由于长距离输送、高扬程、闸阀的启闭、泵的启动及停机等造成管道中流速的突然变化, 继而引起压力的急剧升高或降低, 并且以波的形式沿管道不停地往返传播和反射而产生的。在输水管道系统中水锤现象的起因大体有:启泵和停泵, 机组转速发生变化或运行不稳定、动力故障;空气进入泵或管道系统, 泵内发生回流, 阀门启闭, 线路分流、集流等。其中以事故停机 (动力故障) 引起的水锤尤为严重。
1.2 水锤基本方程
水锤基本方程是水锤计算和分析研究的基础, 主要依据弹性理论推导出运动方程和连续方程如下:
1) 运动方程:
2) 连续方程:
式中:H—测压管水头 (m) ;f、D—管路的摩阻系数和管直径 (m) ;V—管内液体的流速 (m3/s) ;θ—管中心线与水平面的夹角;x、t—水锤波沿管轴线传播的距离和时间;a—水锤波速 (m/s) 。
2 水锤防护措施
2.1 防止升降压的水锤防护措施
2.1.1 单向调压塔
单向调压塔是为了防止管路内水柱中断而设置的补水装置, 因此它应设置在易于产生水柱中断的拐点处。当管道中产生局部负压或水柱中断时, 单向调压塔的逆止阀被水体推开, 向负压和水柱中断处补压, 从而达到防止管道中降压过大或水柱中断, 也就避免了中断后的水柱重新弥合时产生的较大压力上升。但是这种单向塔只对管路中低于水塔水位的局部有效, 所以当供水管道较长, 可能几处产生水柱中断时, 应同时设置几个单向调压塔, 工程造价将提高, 这时就有必要与其它防护措施进行经济比较决定。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠, 一旦该阀门失灵, 可能导致发生较大的水锤。
2.1.2 双向调压塔
双向调压塔应修建在泵站附近或管道的适当位置, 其水面的高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力, 从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠, 但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。
2.1.3 补气阀
补气阀是为防止管路由于产生负压和水柱分离在管路上安装的一种特殊阀门。当管路中产生负压, 需要补气时, 补气阀自动打开, 吸入大量空气, 从而防止了由负压引起的管路损坏。它与调压室相比, 具有结构简单, 造价低、安装方便、不受地形条件限制等优点, 因而在供水工程上广泛应用。
2.1.4 旁通管
旁通管在管线纵断面有凸部系统, 水柱分离通常在某一凸部附近形成, 且气穴会在一定范围内逐渐向高处波及, 形成气穴流, 当管路水流发生倒流后, 气穴体积将迅速减小直至溃灭, 产生很高的水柱弥合水锤, 如能在水柱分离段的末端布置一逆止阀和旁通管, 则可减小水柱弥合的升压和减小下游其他部位的水力波动。其原理为, 该阀和旁通管作为管路中的阻力部件, 一方面阻止了倒流流量, 消弱了水流对气穴的冲击, 从而减小了弥合升压;另一方面, 通过倒流释放能量消减了关阀水锤压力的幅度。
2.1.5 水锤消除器
水锤消除器实际上是具有一定泄水能力、并适合于泵站停泵水锤压力变化过程的安全阀。其基本原理是在水泵断电后, 管路中出现低压的短促时段内, 水锤消除器阀门迅速动作, 呈开启状态, 待倒泄水流到达, 管道产生突然压力升高的瞬间, 迅速按照要求, 释放一部分管道中的压力水, 以缓冲压力上升, 从而达到防止水锤的目的。水锤消除器的种类很多, 常用的有下开式、自动复位下开式、自闭式等。
2.1.6 防爆膜
防暴膜是在需要保护的管道上用一支管连接, 并在其端部用一塑性金属膜片密封, 当管中升压超过预定值时, 膜片爆破, 泄掉一部分高压水, 以保证主管道的安全, 起到水锤防护的效果。一般用于小流量、高扬程的泵站, 作为其他防护措施的后备保护。
2.1.7 其他有效措施
空气罐是一种内部充有压缩空气的金属水罐, 其顶部为空气, 下部为水, 一般安装于水泵出口附近的压力管道上。当突然停机管内压力降低时, 罐内的压缩空气膨胀向管内注水, 减小管内压力减小值;当管道中压力升高时, 空气罐中气体被压缩, 从而减小管道中压力的升高值。而惯性飞轮是指在水泵机组主轴上增设惯性飞轮是为了加大水泵机组转动部分的转动惯量, 以延长水泵机组的正转时间, 有效避免管路中流速和水压的急剧降低、改善水锤压力猛烈波动状况, 从而在一定程度上消弱了负压, 有效地防止了水柱分离现象的出现。
3 水锤计算分析方法
所有水锤的分析方法不外乎从运动方程、连续性方程或能量方程, 加上状态方程和其他物理特性关系式着手。以这些基本方程为基础, 加上不同的限制性假设, 可得到不同的方法。这里我们简要地介绍下面几种分析方法。
3.1 分析法
这种方法将摩阻项线性化。略去运动方程中其它非线性项, 微分方程取简化形式, 通过求解得到解析解。优点是概念清楚, 且求解省时, 缺点是线性化带来了较大的误差。
3.2 图解法
图解法是由Schnyder-Bergeron提出的。在理论推导中, 同样忽略了摩阻项, 但是在进行图解过程中进行了一定的修正。图解法是所有方法中最直接的方法, 通过因变量H-V平面上作图, 用特征线法把某一位置、某一时刻的H和V联系起来。从图中可以得到管内瞬变的大量细节。图解法能够解决大量的复杂问题, 如分叉管、串连管和泵的动力事故。方法的复杂程度和系统的复杂性相对应。因此, 图解法很费时, 对复杂管网中许多可以用数学方法进行模拟的边界条件, 常常引进简化假设。
3.3 特征线法
特征线法把两个偏微分方程 (运动方程、连续性方程) 进行线性组合, 然后联立解得到四个全微分方程 (3) ~ (6) 即两组特征方程。
两个常微分方程组为:
虽然它们已经是常微分方程, 但由于摩阻项中流速V与t时间 (或距离x) 的关系不能建立, 无法积分出解析式, 故只能用数值方法计算。在当今计算机时代, 用有限差分法求积分的数值是克服积分难题的一个有效手段, 特征方程的求解也采用这种手段, 即将这些方程表示成有限差分的形式, 用各管段统一时间步长的矩形网格计算法, 通过计算机求解。
特征线法的优点: (1) 可以建立微分方程求解的稳定性准则。 (2) 边界条件很容易编成程序。 (3) 可以处理非常复杂的系统。 (4) 在所有有限差分法中具有最好的精度。 (5) 容易编程。 (6) 可以给出全部表格化的结果。
4 结语
由于我国社会的迅猛发展、人民生活水平的不断提高以及城镇化进程的加快, 城市的需水量近年来呈现上升趋势, 在较近的地方取水已经远远不能满足人民日常生活和社会生产的需要, 又因为我国水资源的分布严重不平衡, 由此带来的水资源供需矛盾变得日益严峻, 进而在很大程度上制约并且限制了社会经济的发展和人民生活水平的提高。为满足人们用水需求、确保供水, 跨流域调水、远距离输水的供水系统变得越来越多。由此产生的如何保证各类长距离供水管路系统的安全运行, 免遭水锤的破坏, 就显得越来越重要, 情况也变得更加迫切。文章正是针对长距离管道的水锤计算和防护方法进行了研究与比较, 目前通用的认为计算水锤计算方法中特征线法最为准确、高效, 也便于用计算机进行编程计算。
对于长距离输水管道的输水工程常常会有的水力过渡过程, 我们这里提出了应该采用多种水锤防护措施一并防护的思想, 对于最常出现断流弥合水锤的管道, 要在其易发生水体汽化的凸起部位设置单向调压塔, 同时结合控制阀门以及在长输水管道凸起点处设置空气阀等防护措施, 当然无论采取何种何样的措施都必须要经过认真的分析和仔细计算后, 根据长管道中存在的不同危害采取与之相应的措施, 我们这里对多种水锤防护措施和计算方法进行了比较透彻的分析和比较, 故其不但可以为长距离输水工程的设计提供科学依据, 而且对长距离输水系统的正常运行具有重要的参考意义。
摘要：通过长距离输水管道在运行时可能发生的水锤现象, 针对水力过渡问题详细介绍了长管道水锤的计算方法以及针对水锤现象采用的有效防护措施, 并对其措施进行详细的介绍、分析和对比, 在最后提出针对水锤现象要联合采用多种有效的水锤防护措施才能有效避免水锤现象的发生, 进而保证长输水管道的正常工作。
关键词：长输水管道,水锤,水锤防护措施
参考文献
[1]刘竹溪, 刘光临.泵站水锤及其防护[M].北京:水利水电出版社, 1988.
[2]金锥, 姜乃昌, 汪兴华.停泵水锤及其防护[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.
[3]朱满林.泵供水系统水锤防护及节能研究[D].西安:西安理工大学, 2007.
[4]唐寅.水锤的研究与防护[D], 武汉:武汉科技大学, 2008
[5]蒋劲, 赵红芳, 李继珊.泵系统管线局部凸起水锤防护措施的研究[J].华中科技大学学报:自然科学版, 2003, 31 (5) .
浅谈停泵水锤的危害及防护 篇2
停泵水锤是水锤现象的一种, 是由于泵站工作人员失误操作、外电网事故跳闸以及自然灾害 (大风、雷击、地震) 等原因, 致使水泵机组突然断电而造成停车时, 在泵站及管路系统中发生的水锤现象。根据调查统计, 在城市供水及工业企业的给水泵站中, 大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。水锤现象的延续时间虽然短暂, 但它会造成严重的工程事故, 轻则水泵机组产生振动和水力撞击噪声;严重时, 水泵机组振坏, 管道锤裂造成停水事故。如因事故停泵在管路中产生水柱分离和断流弥合水锤, 则其破坏力更为严重。泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的, 其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区尤为突出。根据调查可以看出:泵站中多数水锤的结果是轻则水管破裂、损坏设备, 造成暂时供水中断, 重则酿成泵站沉没。在农田灌溉泵站中, 常因扬程高, 流量及功率较大, 故其水锤危害及影响丝毫不亚于给水工程系统, 人们还特别将泵站水锤的危害列为泵站三害 (即水锤、泥砂、噪声) 之首。在火电厂循环水系统中, 因停泵水锤引起的最低、最高压力、最大倒流及机组最大反转数等最不利参数, 乃是系统设计的最主要依据;不合理的设计往往导致浪费, 或使设备及管路遭到破坏。近年来, 现场测试证明, 循环水系统中因水柱分离而引起的断流水锤现象是相当严重的;特别是采用了轻型的立式泵、较长的管道和更大的虹吸高度, 就更容易发生断流弥合水锤。由此可见, 按照各种泵站的工作特点和条件, 全面实事求是地进行水锤分析, 从而采取有效的水锤防护措施, 是有关设计及生产管理部门的当务之急, 也是确保泵站安全输水的重要前提。
目前为止, 已经有多种停泵水锤防护措施, 大致可分为三种类型:
1) 补水 (注气) 稳压, 防止产生水柱分离或升压过高的断流弥合水锤。属于这种类型的有双向调压室、单向调压室、空气室及气囊式水锤消除器。
a.调压室是一个钢筋或钢筋混凝土的水箱。单、双向调压室工作原理类似, 当管路中发生局部负压或水柱分离时, 止回阀在水箱静水位作用下迅速开启, 自动向管路中注水, 从而避免了断流弥合水锤所引起的巨大升压。一般可设在水泵出口处。
b.水泵正常工作时, 空气室的空气被压缩而储备能量, 当水泵突然停止时, 空气室向管道中补水, 以防止降压过大和水柱中断;当管道压力上升时, 通过旁通管向管道中补水, 从而减少压力上升。一般安装在水泵装置止回阀附近。
c.气囊式水锤消除器克服了空气室中的空气易被水流带走这一缺点, 使用前, 由筒体上部向胶囊中充气 (空气或惰性气体) 。
2) 泄水降压, 避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、缓闭止回阀、爆破膜片、设置旁通管以及取消止回阀等。
a.停泵水锤消除器主要有以下三种类型:下开式停泵水锤消除器、自闭式停泵水锤消除器、自动复位停泵水锤消除器。它们在工作原理上类似, 即在停泵过程中, 当出口压力下降到一定值时, 消除器开启, 当水锤升压波向水泵返回时, 由消除器向外排水, 从而消除水锤。水锤消除器保护干管的长度, 一般不超过800 m。
b.缓闭止回阀是止回阀的一种, 它通过缓闭的形式来消除水锤, 形式很多, 简易可行, 获得了较为普遍的应用。
c.爆破膜片类似于电路上安装保险丝, 当管路中由于水锤升压超过预定值时, 膜片自动破裂, 水流外泄, 起到泄水降压的消除水锤效果。
d.在泵站出水管路上取消普通止回阀对于消除停泵水锤是比较有效的办法。但城镇供水工程中, 水厂二级泵站中取消止回阀还有些困难。在实际工程中, 还应该具体考虑。
3) 其他类型。例如在工程设计中考虑:
a.适当增加管道直径、壁厚, 降低输水管线的流速;
b.减小管道长度, 由一个泵站变为两个泵站, 用吸水井把两个泵站衔接起来;
c.选用转动惯量GD2较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮, 可在一定程度上降低水锤值;
d.改变管道纵断面布置形式。
另外, 在选择停泵水锤的防护措施时要注意以下几点:1) 所选用的防护措施, 应与所出泵站及管路系统的规模、作用、对安全性的要求及技术 (管理) 水平相适应, 并尽可能选择技术安全可靠、经济合理、管理维修方便的防护措施。2) 在有可能产生水锤危害的情况下, 应早期防治。如在设计泵站及管路系统时, 选定管材走向;选用水泵机组和管材;确定管内流速方面, 都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。3) 根据具体情况, 尽可能采用综合性防范措施 (几种措施同时采用) , 以提高防护功能的安全可靠性。4) 对防护措施的管理维护及操作等方面的要求, 应给予足够的重视, 国内不少重大泵站停泵水锤事故, 都是由于对防护设备维修不善或操作失误造成的。5) 防护措施的选择, 必须与停泵水锤精确计算及相互分析相配合同时进行。6) 技术上可行, 经济适用。
总之, 停泵水锤现象及其危害与任何一种具体的物理现象一样, 都是在特定的条件下产生的。因此, 大多防范措施是建立在对停泵水锤的早期防护上, 在实际工程中, 应掌握其实质, 综合考虑, 灵活应用。
参考文献
水锤防护措施 篇3
1 管道系统水力过渡过程的数值模拟
对管道系统水力过渡过程进行数值模拟是水锤分析的需要, 而数值模拟结果则为水锤防护策略制定提供了基础依据。本文采用特征线法计算程序进行数值模拟。
(1) 特征线方程
式中, B=a/ (gA) ;R=f△x/ (2gdA2) ;a为水锤传播速度;g为重力加速度;A为某管道截面面积, f为摩阻系数;△x为某管道分段长度;d为某管道截面直径;M, P, N为某管道的连续3个截面;Q, H代表某管道截面流量、压力水头的瞬态值。
(2) 列出边界方程
管道系统边界点主要包括管道末端、泵阀端及各种水锤防护设备端等, 其边界方程的取得基于边界点水头平衡方程。
(3) 求解管道系统某管道各点瞬态值
特征线方程适合求解管道系统某管道内点瞬态值, 对于管道系统某管道边界点, 需联合边界方程并通过初始条件求解出其瞬态值, 实现快速瞬变的管道系统水力过渡过程的数值模拟。
2 管道系统水锤防护策略的制定
工程实际中, 主要采取改变管道系统特性, 增设惯性飞轮、空气罐、单向调压塔、旁通管水锤消除器等措施进行管道系统的水锤防护, 本文不再赘述, 仅给出防护策略的制定思路。
1) 防止水锤事故的发生.防止水锤事故的发生要求管道系统系统结构合理以及管道系统运行工况良好, 主要应从保持管道系统及其附属设备性能完好、管道系统图2方案一水锤计算结果图3方案二水锤计算结果及其附属设备内挟气量低、管内水流流态平稳着手, 因此凸显规范操作和定时维养的重要性。
2) 将水锤危害程度降到最低.将水锤危害程度降到最低要求管道系统水锤防护措施到位以及水锤事故发生时水锤防护措施执行效果良好。前者要求设计阶段做好系统结构优化、制定水锤防护措施;后者则要求水锤事故发生时操作者规范停关泵阀等设备, 以尽量保持水流平稳, 不让水锤危害继续扩大。
3 工程应用
某大型输水管道工程全长36.31公里, 管径800mm。计算过程中采用两种方案。方案一采用空气和单向调压塔进行水锤防护;方案二联合使用空气阀和真空吸气阀取代单向调压塔进行计算。两种方案具体布置如图1所示。
3.1 方案一停泵水锤计算模拟
方案一采用空气阀和单向调压塔进行水锤防护模拟计算, 计算结果如图2所示。
可以看出, 采用方案一进行停泵水锤计算, 管线最大压力较低, 最大压力约为80米水柱, 管线局部出现负压现象。
3.2 方案二停泵水锤计算模拟
采用方案二进行停泵水锤分析, 管线首端负压现象消失, 其余各处最低压力线与最高压力线与方案二基本一致。
在管线发生爆管或排水阀损坏失效情况下, 水流速度过快, 极易形成真空, 此时空气阀的吸气功能不能完全防止真空的出现, 会导致爆管情况发生。真空吸气阀在系统出现负压状态时可迅速开启, 自动向系统中补入大量空气。真空吸气阀安装在管线系统的坡峰处, 与空气阀相结合, 一定程度上可起到调压塔的作用。
3.3 结语
单一的水锤防护设施可能无法满足防护要求, 需结合工情组合多种水锤防护措施, 并不断予以寻优计算, 得出最佳的防护方案。
摘要：本文结合实例进行了水力过渡过程的数值模拟及水锤防护策略的制定, 保证了长距离输水管线的安全可靠工作, 为工程设计、维护人员提供水锤问题的分析和处理思路。
水锤防护措施 篇4
在压力供水管道的水流中, 假如水的流动速度变化很大, 这样将会造成管道中水的动量转变, 水流动量变化将造成压力相继变化, 如此将会发生比较严重的水力撞击现象, 这种现象在水力界被称为水锤现象。当前国际和国内基本统一称多种多样的泵站管路系统中由于水流速度的变化而发生的水锤现象为泵站管路系统水力过渡过程。停泵后泵站管路系统水力过渡过程的基本特点是:由于各种各样的事故造成水泵停止运转以后, 水泵就将转到水力过渡过程工作状况, 最初阶段是是水泵工况, 此种工况条件下, 由于水泵停转, 失去了主驱动力矩, 水泵运行机组的力矩是不平衡的, 根据牛顿第二定律可以得出, 在惯性的作用下, 水泵机组将保持正转一段时间, 随着时间推移转速就会慢慢减小。可以得出泵站处将会首先降低压力。降低的压力波将由泵站向连接泵站的管路方向传播, 当降压波传到高位水池处以后又将引起升高的压力波。这里的升高的压力波会反方向从高位水池向管道系统和泵站机组继续传播。水管中流动的压力水流, 一般在各种各样的停泵事故以后, 都会在惯性作用的影响下, 以慢慢变缓的速度继续向管路方向和高位水池方向流动, 管路的沿程阻力和局部阻力作用以及水流受到的重力, 会把水流的流速逐渐降低到零, 这是一种不稳定的状态, 水流在管道中又受到重力的作用又将反向流回水泵站, 水流流速又从零慢慢变大, 往后的水流特点, 受到水泵出水口是否安装了普通止回阀或可控阀门以及缓闭阀等工作情况。
2 工程概况
甘肃某市建设一段长距离输水工程, 供水管道的管径为0.35m, 相对比较小, 但是该管道的沿程高程变化很大, 按照泵站设计规范的要求, 并与已建成的大部分工程做比较, 分析得出, 当比较长的输水管道的首尾端起伏比较大时就需要进行相关的水锤分析计算。针对该工程的实际, 沿线高程起伏非常大, 那么就很有必要保证该条输水管道的安全运行问题。所以, 为了保证该管线运行过程的安全、尽量避免发生水锤事故, 对该输水管道系统在运行和调节中可能会发生的水锤问题进行分析, 最终得出比较合理可靠的相关水锤防护手段, 这样即可相应的避免事故发生后的经济损失。
该压力流输水管线总长约8985米。管道起端高程为660.52米, 尾端高程为1009.65米, 首尾端高程差为349.13米, 沿管线的高程起伏很大。该输水管全线均选择DN350的钢管, 承受的压力:前面3000m为0.5M Pa, 中间3500m为0.4M pa, 后2385米0.2 M pa。详细管线的纵断面图如图1所示。
该工程详细的计算数据按下列取值:对城市长距离供水工程中比较常用的球墨铸铁管来讲, 水温一般取为20℃, 水的密度ρ=999.58kg/m3;体积弹性系数取K=21.08×108 N.s2/m4;弹性模量E=19.6×1010/Pa, 将上述各参数值代入水锤计算理论公式中, 得出水锤波速a=1000m/s.一般水力摩阻系数多是按照一个比较理想的流态得出来的。为了方便科学的计算, 这里提出假设, 该管路运行状态稳定, 采用海曾-威廉摩阻计算公式得出管道摩阻系数, 该工程实际管道采用350mm的钢管, 那么C=100, 通过已知的流量、管长、管径即可计算出水头损失。
3 最佳水锤防护方案的确定
该工程选择在水泵出水管和桩号为4500m处均设置缓闭型止回阀的水锤防护基本方案。在此分别分析整条管线中, 采用各个缓闭止回阀不同的关阀时间的条件下, 该管路中水流压力的变化状态, 设置完成快速关闭止回阀后对应的角度为20度。通过编制水锤计算程序后, 采用不同的关阀工况, 可以得出最大水头包络线和最小水头包络线: (a) 前后缓闭止回阀的关阀时间均为快关10s、全关360s; (b) 前面缓闭止回阀的关阀时间为快关10s、全关600s, 后一个止回阀的关阀时间为快关5s、全关360s; (c) 前一个止回阀的关阀时间为快关20s、全关600s, 后一个止回阀的关阀时间为快关10s、全关360s; (d) 两个止回阀的关阀时间均为快关20s、全关600s, 如图2所示。
从图2的各不同关阀工况的图中可得出, 在某些关闭止回阀的情况下, 事故后突然停泵, 输水管道中水流由于水锤造成的压力升高较小, 但是因为缓闭止回阀关闭时间长短有时不一定非常精确, 所以为了供水管线的安全, 同样采用一些防护措施来防护。通过计算得出, 将箱式双向调压塔和超压泄压阀分别安装在水泵出水口和桩号为4500米处的止回阀出口端, 就满足了该工程水锤防护的要求, 能保证输水管道安全运行。
4 结论与建议
本文对输水工程中由于事故产生的水泵水力过渡过程进行了分析, 重点探讨了事故停泵后的水力过渡过程, 并对甘肃某市长距离小管径高扬程供水管线泵站水利过渡过程发生的可能性及其危害进行了详细的上机计算分析和预测, 通过对水锤包络图的分析, 总结了合理的防护措施:将箱式双向调压塔和超压泄压阀分别安装在水泵出水口和桩号为4500米处的止回阀出口端, 就满足了该工程水锤防护的要求, 能保证输水管道安全运行。
摘要：本文针对停泵过程中水泵的水力过渡过程的分析需要, 重点探讨了停泵水力过渡过程这一现象的特点, 并对宁夏某长距离小管径高扬程输水工程的管路可能发生的泵站水力过渡过程进行了水力分析, 对发生的停泵水力过渡过程进行了预测研究, 对类似的水锤防护工程有一定的参考意义。
关键词：水锤,水利过渡,水锤防护
参考文献
[1]刘竹溪, 刘光临.泵站水锤及其防护.北京:水利电力出版社, 1988.
[2]金锥, 姜乃昌, 汪兴华等.停泵水锤及防护[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.
[3]中国市政工程东北设计研究院、长安大学主编.城镇供水长距离输水管 (渠) 道工程技术规程.中国计划出版社, 2005.
水锤防护措施 篇5
对于有压输水而言,由于人为误操作或突然断电等外部因素导致水泵突然停机,压力管道中流速剧烈变化,从而在管路中产生急剧的压力交替变化过程,这种水力冲击现象称为事故停泵水锤[1]。特别是在长距离管道中,因为事故停泵水锤导致的压力升高尤为明显,可能造成严重的工程事故。本文针对一长距离有压管道引水工程进行事故停泵的数值仿真,分析泵出口液控蝶阀两阶段关闭、空气阀、调压塔联合防护措施的水锤防护效果,并提出优化建议,以确保输水管道安全稳定运行。
1 工程概况
某长距离有压管道引水工程由1座泵站(大(2)型)、2个水库(中型)、近20km的管道和隧洞等组成。取水泵站共设有6台VENUS-900/1000ZC型水泵(4用2备),配套6台1RN4636-3HE80-Z卧轴三相交流鼠笼式异步电动机。单泵设计扬程H=56.5m,设计流量Q=3.5m3/s,额定转速n=595r/min,效率η=92.2%,比转速ns=140,机组转动惯量GD2=33 5kg/m2。水泵出口依次设有一台TF/VSSJAF型液控止回蝶阀和两台D94A3X型电动蝶阀,直径均为DN1400,如图1所示,其中在4台泵同时运行时,两台电动蝶阀保持全开。引水工程的输水管线全长18.56 km,管道直径有DN2600、DN2800、DN3000、DN3400四种,管材种类分为钢管和玻璃钢夹砂管两种。沿线设置有单向调压室和双向调压塔等附属设施,以及各类蝶阀、空气阀等水锤防护设备,输水管线纵剖面高程变化和各设施设备的布置位置如图2所示,管线最高点高程为74.95m,受施工限制,双向调压塔设置在管线次高点处,管中心高程为68m。
2 事故停泵水锤的数值仿真
针对引水工程取水泵站的边界条件及运行工况,采用常波速的液柱分离模型[2]和特征线法对事故停泵水锤的基本方程进行求解,计算分析瞬态流动任一瞬时各断面上的压力和流量变化过程。
2.1 无防护措施下的停泵水锤
4台泵同时事故停泵时,无任何防护措施,即不考虑单向调压室、双向调压塔、空气阀,泵出口液控蝶阀不关闭的条件下,计算结果如图3、图4所示。图3中h、ν、α、β分别为水泵的无量纲扬程、无量纲流量、无量纲转速和无量纲转矩,τ为泵出口阀的水力开度;图4中Hmax、Hmin、HGL、Z分别为最大测压管水头、最小测压管水头、初始测压管水头和管中心高程。
从图3中可以看出,水泵在停泵后12.3s开始倒流,在停泵后的第12.9s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的1.47倍,最大倒泄流量为额定流量的0.86倍。停泵后水泵的倒转转速不满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求,应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭,一方面防止水泵长时间超速倒转,另一方面防止出水管内的水大量倒流回进水池,造成水量和能量损失。
从图4中可以看出,发生事故停泵后,由于管线中出现了水柱分离及再弥合现象,在水泵出水管起点处最大水锤压力达到94.79m,远远超过《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3~1.5倍”要求;同时管线从水泵出口到隧洞末端之间大部分管段出现负压甚至发生汽化(按-8m考虑)。
2.2 现有防护措施下停泵水锤
4台泵同时事故停泵,考虑现有防护措施:泵出口液控蝶阀采用快关8s/60°、慢关20s/30°的两阶段关闭程序,沿线设置空气阀、单向调压室、双向调压塔(水深安全余量为1m),计算结果如图5、图6和图7所示。
从图5中可以看出,水泵在停泵后1.5s开始倒流,在停泵后的第2.1s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的0.94倍,最大倒泄流量为额定流量的0.54倍。停泵后水泵的倒转转速满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求。
从图6中可以看出,事故停泵后水泵出水母管起点压力上升到最大水锤压力86.64m,接近《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3~1.5倍”要求的上限;管线中无汽化压力出现,负压段集中在水泵出口到双向调压塔之间,最小水锤压力为-3m。
从图7中可以看到,事故停泵后,当管道内的压力降至低于双向调压塔内的水头时,水从双向调压塔流入管道,在停泵后的第56.7s,双向调压塔内的水位低于补水管顶高程,调压塔露底,空气开始进入管道,引起更加复杂的液气两相流过程。
2.3 现有水锤防护措施的效果评估
比较无防护措施和采用现有防护措施的事故停泵的计算结果,可以看到采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施[3],能有效减小管线最大水锤压力,防止管道中发生液柱分离及再弥合现象,避免汽化压力出现,减小管道负压段范围,起到了较好的水锤防护效果。但仍然表现出以下问题:管线仍然存在负压、多泵同时事故停泵时双向调压塔垂线露底等。因此,有必要对现有水锤防护措施进一步优化。
3 水锤防护措施的优化
3.1 泵出口阀关闭程序优化
由于泵出口阀的关闭程序对泵系统事故停泵过渡过程影响较大,对关阀程序进行优化[4],考虑到泵站的实际运行操作及沿线设施设备的影响,最终拟定两种泵出口阀关闭程序方案:①快关8s/60°,慢关15s/30°;②快关15s/60°,慢关55s/30°。比较以上优化后的两阶段关阀程序与现状运行采用的两阶段关阀程序的事故停泵计算结果,如表1所示。
从表1中可以看到,泵出口阀采用快关15s/60°、慢关55s/30°的关闭规律后,管线最大水锤压力明显下降;同时管线均未出现汽化压力。因此,建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为:快关15s/60°,慢关55s/30°。
3.2 空气阀防护优化
根据计算结果,管线中负压段主要出现在水泵出口到双向调压塔之间、管线最高点附近和隧洞进口附近三处位置,为了避免可能出现的弥合水锤,通过试算拟定在原有空气阀的配置基础上增设10处CARX-0400复合式排气阀[5],安装位置见表2及图8。
增设空气阀后,现有空气阀和空气阀优化后对事故停泵水力过渡过程的影响如表3所示。
从表3中可以看出,空气阀优化后,管线最大水锤压力不变,而管线最小水锤压力数值明显减小,这说明增设的空气阀能更好消除管线负压。
3.3 双向调压塔优化
在4台泵同时发生事故停泵时,双向调压塔的补水量不足,出现露底,为了增加补水量,可以采用在下游新建单向调压塔的方案[6]。经过优化计算,在下游新建一单向调压塔,其结构参数见表4,事故停泵水锤的计算结果如表5所示,新建单向调压塔对管线的最大和最小水锤压力没有影响,这是由于安装位置距离管线发生最大最小水锤压力的位置比较远的缘故,但因为增加了多台泵同时事故停泵时的补水量,保证双向调压塔不会出现露底[7]。
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4 结语
(1)采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施,能有效减小管线最大水锤压力,防止管道中发生液柱分离及再弥合现象,避免汽化压力出现,减小管道负压段范围,起到了较好的水锤防护效果。
(2)通过优化泵出口阀关闭速率,可以进一步减小管线最大水锤压力,建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为:快关15s/60°,慢关55s/30°。
(3)沿管线合理地增设空气阀,能够有效地消除管内负压。
(4)为了避免多泵同时事故停泵时,双向调压塔补水量不足出现露底,可以新建单向调压塔增加补水,确保输水系统的安全稳定运行。
参考文献
[1]金锥,姜乃昌,汪兴华,等.停泵水锤及其防护[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2004.
[2]E B怀利,V L斯特里特.瞬变流[M].北京:水利电力出版社,1983.
[3]董丽丽,冯民权,吕岁菊.长距离泵输水系统事故停泵水锤数值模拟研究[J].水资源与水工程学报,2013,(5):112-115.
[4]刘光临,蒋劲,易钢敏.泵系统水锤最优阀调节研究[J].流体工程,1992,(6):1-5,65.
[5]刘梅清,孙兰凤,周龙才,等.长管道泵系统中空气阀的水锤防护特性模拟[J].武汉大学学报:工学版,2004.
[6]刘光临,刘志勇,王听权,等.单向调压塔水锤防护特性的研究[J].给水排水,2002.