浅谈长距离供水管道防止水锤效应的理论依据和技术措施

浅谈长距离供水管道防止水锤效应的理论依据和技术措施

王继祥

（国电投集团贵州金元股份有限公司纳雍发电总厂553303）

摘要：水锤效应是长距离供水管道中常见的一种物理现象，对供水管道的安全稳定运行十分有害，造成供水管道的破坏性极大，根据防止水锤效应的模型试验和具体的案例提出了防护措施，以确保长距离供水管道正常运行。

关键词：防止；长距离供水管道；水锤效应；措施

我国的水资源分布极不均匀，就近取水己不能满足工业企业迅速发展的需要，为了确保供水，长距离供水管道也越来越多，而长距离供水其间的地形起伏较大，供水管道高差突变的情况很常见，系统突然停泵或阀门快开、快关等某种原因，供水管道内的压力发生剧烈波动，从而造成供水管道爆裂或凹瘪破坏，将严重影响供水系统的正常运行和人民的生命财产安全。

1.水锤产生的条件和危害

供水系统突然启、停泵或阀门快开、快关，单管道向20米以上的高处供水，补给水泵的扬程或工作压力过高，供水管道过长和供水管道中的水流速度过大，地形起伏变化大造成供水管道高差突变等因素都容易产生水锤效应。供水管道内的压力大幅度波动，瞬间可能达到正常工作压力的几倍甚至几十倍，压力大幅度波动时引起供水管道剧烈振动；或供水管道压力降低，供水管道内水倒流造成水泵反转直至水淹泵房、泵房内的设备遭到破坏、供水管道接口处断裂或爆管，破坏性极大。

2.水锤效应的模型试验

2.1优化设计的理论依据

建立数学模型对防止长距离供水管的水锤效应进行优化设计提供了理论依据，以有压供水管道的运行时间和供水管道长度为自变量、压力和流量为因变量，建立的运动方程和连续方程是一对双曲线偏微分方程，加之计算机的出现和计算数学的迅速发展，将上述非线性双曲线偏微分方程沿其特征线变换成四个常微分方程，然后在变换成差分方程并配以各种边界条件可以联合求解。

基于以色列伯尔梅特公司在产生水锤效应分析方面的实践经验与成熟的数学模型并结合纳雍电厂二厂供水系统建立的数学模型和计算方法进行水锤分析。目前无法求得闭合解，而施耐德提出的图解法计算方便，概念清晰，

2.2计算水锤效应的原始资料和数据

纳雍电厂二厂供水系统的水锤分析按照6×300MW机组所需补给水量进行计算，升压泵房至二厂清水池之间的给水管道长为8225m，其间的地形起伏较大（补给水管线沿线纵断面布置详见图1），距升压泵出口7615m处为供水管道的制高点，高差为189m，之后至厂区清水池的供水管道长度为610m，连续下降的高差为43.5m。原始资料和数据如下：

（1）供水总量为4800（6台20ELC×7升压泵）；

（2）升压泵基本情况：型号为20ELC×7，额定流量为900，额定扬程为215m，额定转速为1475rpm，配套的电机功率为800kW，电机转动惯量：；

（3）供水干管为2×DN800的螺旋缝埋弧焊钢管，供水管道长度为8225m。

按照最不利的工况为4台升压泵向一根DN800供水干管供水，一根供水管道发生事故时，为确保另一根供水管道能够满足二厂60%的供水量。按照最不利的情况是事故停电，五台升压泵同时停电时通过压力包络线图可以直观地看到一旦事故停电，所引起的系统压力波动是较为剧烈的（详见图2）。

剧烈程度为以升压泵出口处为最大，停电20秒钟后压力降至39m水柱高，30秒钟后压力上升至338m水柱，供水管道中的波动长度达300m，随后系统发生同频率波动，产生强烈的振动，并伴有噪音。因此，必须严格保护，否则供水管道和升压泵不能抵御如此大的压力波动。

3.消除水锤效应的措施

纳雍电厂二厂通过多年的实践经验，仅仅使用一种防护措施防止长距离供水管的水锤效应是不够的，应通过数学模型进行计算，对供水系统进行优化设计，采用投资省、结构精简而精准的联合措施防止水锤效应。

比如纳雍电厂二厂供水系统进入DCS控制，将升压泵纳入变频方式运行，升压泵出口安装缓闭式止回阀、容易形成气囊的管段安装进排气阀和远端安装调压塔能够起到有效的保护作用。

3.1DCS控制技术在供水管道中的应用

升压泵工频运行时造成供水管道低压或超压的现象时有发生，容易产生水锤效应导致管道和设备损坏，通过DCS控制技术对压力进行检测，反馈控制升压泵的启、停和对转速进行自动调节来控制流量，进而使压力维持在恒压状况下运行，保持恒压供水，可以避免过大的压力波动，从而降低水锤产生的概率。

3.2缓闭式止回阀

缓闭式止回阀由主阀、单向阀、针型阀、球阀、微形过滤器和压力表组成，阀门进口端进水时，水通过过滤器、针型阀、单向阀进入主阀控制室，再通过球阀流到主阀的下游。由于针型阀的开度小于球阀开度，此时主阀控制室的排水速度大于进水速度，控制室压力降低，主阀盘下端压力升高，打开主阀后向下游供水。当管道停止供水时下游水回流，部分回流水经球阀进入主阀的主控制室，因单向阀作用造成回流水不能从主阀的主控制室流出，主控制室的压力逐渐升高带动主阀缓缓关闭。缓闭式止回阀保养简便，不需要其它装置和动能，开启和关闭平缓，利用水力自动动作可使主阀达到最佳的开启或关闭速度。

3.3进排气阀。

进排气阀具有三个方面的功能：一是向空供水管道内充水时通过进排气阀及时将供水管道内的空气排除，以避免产生气阻而引起水锤效应；二是供水管道内发生负压时通过进排气阀及时向供水管道内补充空气，不会造成负压过大而产生水柱分离。同时，在运行过程中能够及时排出水中逸出的气体，避免气体的聚集产生气阻造成供水量下降。需在不同工况下运行时将供水管道的空气及时排出或及时向管内空气，使长距离供水管道不受气体或负压的危害而影响安全运行的主要防护措施之一。

3.4调压塔防护法

调压塔是用于防止水柱分离的经济可靠的防护措施，它由水塔与辅助支管、止回阀、浮球阀等组成。水塔通过止回阀与主管道连接，止回阀的启闭由主管道的压力控制，常设置在供水管道容易产生负压的部位。水泵起动时止回阀处于关闭状态，主管道通过辅助支管向水塔补水，当水位上升到正常水位后，补水管出口上的浮球阀关闭，水塔自动保持水室水位。事故停泵时，当主管道压力下降到调压塔正常水位时，止回阀迅速打开，通过连接短管向主管道补水，防止主管道压力降低造成水柱分离。

调压塔防护法在实际应用中存在两方面的缺陷：一是容积受到限制对主管道的保护距离也受到限制，仅能保护最高水位以下的主管道，需根据供水管道的纵断面装设多个调压塔；二是需要安装足够大的辅助补水支管，确保调压塔迅速充水后准备下一次动作。

4.结论

水锤效应仅仅与水本身在流动过程中的惯性有关系，水锤效应的危害性极大的问题已逐渐被人类认识，在供水系统上安装消除水锤的设备和采取一系列的联合防护措施，将它的危害控制在最小范围内。本文结合纳雍电厂二厂供水管道提出了切实可行的水锤防护措施，比如供水系统进入DCS控制将给水泵纳入变频方式运行、给水泵出口安装缓闭式止回阀、容易形成气囊的管段安装进排气阀和长距离供水管道的远端安装调压塔能够起到有效的保护作用，供同行业借鉴。

参考文献：

[1]张绍平，纳雍二电厂新建工程补给水系统水锤防护专题报告，贵州电力设计研究院施工图设计阶段，2003.3

[2]郑源．输水管道系统水流冲击截流气团与含气水锤研究[D]．南京：河海大学，2004

[3]刘光临，刘梅清，匡许衡．长管道系统中的水锤及其防护研究．武汉水利电力大学学报，1996．10，36～41