原创论文 长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护
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2022年05月05日 09:42:16
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来源:中国给水排水

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作者:李建宇,魏举旺

来源:中国给水排水/李建宇,魏举旺 摘要 : 长距离输水管线的一次性投资大,且管网重要程度高,做好水锤防护关系到用水的安全与稳定。以援非某重力流输水工程为例,管网全长57.6km,地势两边高、中间低,且起伏较大,水锤削减存在较大难度。在确定管道最大允许承受压力、关阀时间、关阀方式后,针对危害较大的末端关阀水锤,通过布置进气阀、排气阀、调压塔、超压泄压阀等系列组合防护措施进行软件模拟与分析。结果表明:进气阀、排气阀的传统快进慢排布置并不具备普适性,应根据工程实际情况合理选择布置方法;进气阀、排气阀搭配调压塔能有效消除负压及断流弥合水锤引起的正压,进一步搭配超压泄压阀,可将水锤带来的危害降至管道承受范围内,为输水管线的安全运行提供保障。

来源:中国给水排水/李建宇,魏举旺

摘要 长距离输水管线的一次性投资大,且管网重要程度高,做好水锤防护关系到用水的安全与稳定。以援非某重力流输水工程为例,管网全长57.6km,地势两边高、中间低,且起伏较大,水锤削减存在较大难度。在确定管道最大允许承受压力、关阀时间、关阀方式后,针对危害较大的末端关阀水锤,通过布置进气阀、排气阀、调压塔、超压泄压阀等系列组合防护措施进行软件模拟与分析。结果表明:进气阀、排气阀的传统快进慢排布置并不具备普适性,应根据工程实际情况合理选择布置方法;进气阀、排气阀搭配调压塔能有效消除负压及断流弥合水锤引起的正压,进一步搭配超压泄压阀,可将水锤带来的危害降至管道承受范围内,为输水管线的安全运行提供保障。


   


     

   

李建宇


     

工程师,从事铁路、市政给排水管网设计工作。


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工程概况


     

本工程源于非洲某城市供水项目,管网设计规模 Q =14×10 4 m 3 /d,水源接自上游郊区高位水池,通过长达57.6km的输水管网引至下游该城市水厂蓄水池。起点标高为336m,末端标高为189m,全程重力流供水。地势两侧高、中间低,最低点标高为68m,距离起端落差高达268m。系统概况如图1、2所示。


1 工程输水管网概况


2 管线纵剖面


从图 2可以看出,20~35km区间地势相对较低,管道正常输水过程中,该区间管道工作压力最高可达204 m水柱(1 m水柱产生的压力约为10kPa,下同),一旦发生水锤,管道压力急剧上升,爆管风险异常严重;且该项目位于西非,经济欠发达,运营管理水平相对低下,增加了水锤发生概率。因此,设计出运行可靠、能够有效防护水锤危害的输水系统是研究重点    


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工程模型求解方法


     
该工程采用特征线法   求解,差分方程如下:  


式中:   Q   T     H   T   分别为管道在求解位置的瞬态流量和瞬态水头;   Q   L1   、Q   L2   分别为管道L1、L2两点的瞬态流量;   H   L1   、H   L2   分别为管道L1、L2两点的瞬态水头;   C   a   为管道的特征常数;   C   f   为管道的摩阻性常数;   C   T   、C   n   分别为水锤特征方程的特征参量;   g   为重力加速度;   a   为水锤波速;   F   为管道的阻力系数;Δ   t   为时间步长;   D   为管道直径;   A   为管道过流面积。  


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工程模型分析


     

3.1   模拟边界条件

管道两侧均为水池,假定水锤发生过程中水池液位不变,供水管网全程采用单根 DN1200的K9球墨铸铁管,壁厚为15.3mm,海森威廉系数为130,管道流速为1.8m/s,水锤波速为1 041m/s。管道工作压力最大为204m水柱,根据《给水排水设计手册》(第3册)的规定,管道允许承压不应超过运行压力的30%~50%,该工程全部按照1.3倍工作压力为目标进行校核,即发生水锤时管道承压不超过265.2m水柱(204m×1.3)。

 

经模拟,该工程始端关阀不会引发灾难性水锤,主要研究末端关阀水锤。管道全长为57.6km,末端工作压力为31m,在无视管阻的前提下,计算得知关阀时间小于50.9s时发生直接水锤,直接水锤在工程中是要避免的,因此关阀时间不应该小于该值。水锤会随着关阀时间的延长而递减,为了模拟水锤危害较大的情况,该工程将关阀时间定为60s。通过计算 ρτ 0 >1.5,因此容易发生极限水锤 ,可以采取先快后慢的关阀方式以降低极限水锤压力。通过多次模拟,最终确定前1/3关阀时间内关闭70%、后2/3关阀时间内关闭30%作为通用的关阀操作方式。

 

水锤模拟时长为 600s、步长为0.5s,20~35km里程作为水锤压力的控制区间。

 

3.2   无防护措施的水锤分析

经模拟,末端60s关阀会产生较为剧烈的水锤波动,10km之后的最高压力包络线维持在500m水柱左右,20~35km区间的管道承压高达444m水柱,远远超过265.2m水柱的目标压力值;在6~12km区间,管道最低压力包络线多处位于管中高程线之下,该负压区间引发了严重的断流弥合水锤,产生高达52.7m 3 的气穴空腔。

 

水锤模拟效果见图 3。


3   60s关阀水锤模拟


3.3       添加进气阀、排气阀的水锤分析  
针对图 3模拟结果,当务之急是消除6~12km区间的管道负压,在此区间每隔1km布置1个复合式排气阀,当水流断裂时需要快速补气,水流弥合时需要缓慢排气,防止断流空腔弥合水锤的二次产生   。按照常规思路采用快进缓排   的方式,首先将进气口口径设置为 100mm,排气口口径设置为20mm。模拟结果见图4(a)。可以看出,负压稍有减缓,管道压力振荡情况减轻,但是该工程地势起伏大,20km处地势陡降,断流在弥合过程中需要爬升,难度较大,排气相对困难,反而不利于消除正压。  


4   设置进气阀、排气阀的水锤模拟


本研究再次将排气口口径由 20mm调整为100mm,模拟结果见图4(b)。可知,当将排气口调大后,排气速度得到提升,管道始端的正压得到一定程度的缓解,但是受限于该工程地形情况,后续负压及正压均无明显改善,仅靠安装进气阀、排气阀无法将水锤的影响降至可控范围内。  
   
3.4       安装单向调压塔的水锤分析  
在安装进气阀、排气阀的基础上,在气穴体积最大的节点安装调压塔。因为该工程负压点发生在管线上游,水头较高,且主要危害是负压,双向调压塔高度必须高于正常水头才能达到 “正压进水,负压补水”的效果,因此从经济方面考虑选择单向调压塔。单向调压塔的3个参数分别为补水管直径、调压塔直径和水位高度   ,其中补水管直径关系着断流弥合水锤发生时的补水速度,而调压塔直径和水位高度一方面关系着补水体积,另一方面直接关系着工程造价。为确定最合适的调压塔参数,进行了正交试验,见表 1。  


1   调压塔参数正交试验


该工程补水管直径对弥合水锤的削减至关重要,管径如果选取过小则补水不及时,依旧会发生很严重的气穴,但是当补水速度达到一定值时,即使再加大补水管直径,也无法进一步削减弥合水锤;而调压塔的直径对水锤的削减效果呈现出一定程度的波动,随着池体尺寸的加大,弥合水锤迅速削减, 2m后趋于稳定,但当池体尺寸增大到5m时,始端的气穴量反而加大,到7m时又回归到稳定值,到10m时又升高,之后又回归到正常值;对于池体水位高度而言,其关乎着管道的抗冲击能力,越高则弥合水锤的危害越低,当水位高度达到100m时,管道几乎不会发生任何负压,水锤危害大大降低,管内压力波动十分平缓,但是池体高度关系着工程造价,综合考虑经济性及功能性,选择在12km处安装1个直径为3m、高为6m、补水管管径为0.50m的单向调压塔。  
   
安装调压塔后的水锤模拟结果见图 5。  


5   设置调压塔的水锤模拟


从图 5可以看出,增加单向调压塔后,与排气阀结合,对负压和空气产生量有很大的影响。除始端外,位于12km附近的中间气穴几乎被全部消除,整个管道的最低压力包络线基本抬升至管道埋深线上方。此外,由于削减了负压产生的断流弥合水锤,最高压力包络线较未安装调压塔之前有了很大改善。单向调压塔配合进气阀、排气阀,对管道水锤的消除具有很显著的效果。  
   
3.5       安装超压泄压阀的水锤分析  
在安装单向调压塔之后,发现负压的问题已经解决,但在管道中部仍存在正压超压的情况,引入 1条最大允许压力线(最大允许压力线=管中高程+265.2)与最高压力包络线进行比照(见图6),此时可采用超压泄压阀解决。超压泄压阀的工作主要依赖于对泄压阀滑塞内腔的压力控制,正常输送时,滑塞在内腔设定压力作用下紧紧地与主阀座贴合,使泄压阀处于正常关闭状态,当管线发生水击而异常升压,超过其滑塞内腔所设定的安全控制压力时,在压差的作用下滑塞打开,通过滑塞外腔开始泄压,当管线压力恢复正常工作压力时,滑塞与阀座紧紧贴合,恢复关闭状态,停止泄放,管线恢复正常输送。  


6   压力比对


超压泄压阀在开启释放压力的同时,管道中的水会随之排出,因此阀门压力不宜设置过低,也不宜设置在多处,应作为最后的调压手段选取,该工程在压力最高的 28km处安装超压泄压阀,设定当工作压力超过265.2m水柱时阀门自动开启进行泄压,模拟结果如图7所示。  


7   设置超压泄压阀的水锤模拟


至此,该工程 57.6km的水锤削减完成,除影响不大的起端外,水锤产生的负压基本消除,全局的正压也稳定在管道最大允许压力线之下。  


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结论及建议


     
以援非某城市供水项目重力流输水管线为例,进行水锤削减模拟。该工程因两端高、中间低,地势起伏剧烈,关阀时存在较为严重的水锤风险,需采取一系列递进的水锤防护措施,才能实现削减目标,具有一定的参考意义。  
   
      两端高、中间低的 U形输水管道进气阀、排气阀设置模式采用“快进快排”较传统的“快进慢排”效果更好,在其他工程的水锤削减过程中,应结合具体的地形条件进行分析,得到最适合的进气阀和排气阀尺寸。  
   
      调压塔的参数选取应兼顾经济性与功能性,可通过正交试验分析来确定 “性价比”最优的区间。  
   
      超压泄压阀需搭配其他的水锤削减措施一同设计,作为水锤防护的最后保障进行使用。  



本文的完整版刊登在《中国给水排水》2022年第7期,作者及单位如下:

长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护

李建宇, 魏举旺

(中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院,天津 300308)


该文标准著录格式:

李建宇,魏举旺.长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护[J].中国给水排水,2022,38(7):51-55.

LI   Jianyu,WEI   Juwang.Analysis of v alve c losing w ater h ammer at the e nd of l ong-distance g ravity f low w ater t ransmission p ipeline and i ts p rotection[J].China Water & Wastewater,2022,38(7):51-55 (in Chinese) .


编辑:任莹莹

制作:文   凯

审核:李德强

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2022年05月31日 15:14:24
2楼

感谢,学习一下。

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