长距离输水工程水锤防护分析和工程实践

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 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。 中国论文网 /2/view-12870126.htm 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, -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 2040 个 大气压，其破坏力相当于静压 4080 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： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 8001000 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 号 0）缓闭止回阀快关角度为 60、70 度， 缓闭止回阀快关 510s，总关 60360s 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 510s，总关 60360s 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 0.30.8m/s，缓闭 止回阀快关 510s，快关角度 6070 度， 总关时间 60360s 的情况下，管道中的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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。 因此按照上述步骤，压力包 络线特点，在管道适当位置设置双向箱 式调压塔，进行进一步的计算。 缓冲排气阀闭合流速为 0.3m/s， 水泵出口处缓闭止回阀快关角度为 60、70 度，缓闭止回阀快关 510s， 总关 60360s 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 一如图所示 (1) -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 结论：水泵出口处安装缓闭止回 阀，在水泵出口、桩号 16+200 处安装 箱式双向调压塔，指定桩号处安装缓冲 排气阀。以上为缓冲闭合流速为 0.30.8m/s，缓闭止回阀快关 510s，快 关角度 6070 度，总关时间 60360s 的 情况下，管道中的水锤最大和最低包络 线。通过以上图可以看出： 在水泵出口（桩号 0+00） 、桩 号 16+200 处安装箱式双向调压塔，在 缓闭止回阀不同快慢关时间及角度，缓 冲排气阀不同闭合流速下，所有管段的 水锤升压降低至 250275 米。 改变缓冲排气阀不同的缓冲闭 合流速以及水泵出口处缓闭止回阀不同 的快慢关时间和角度，对于管道中的水 锤升压影响不大，管道压力都符合安全 承压要求，管道中压力很稳定。 方案二采用在水泵出口处（桩 号 0+00）安装缓闭止回阀，在水泵出 口（桩号 0+00） 、桩号 16+200 处安装 箱式双向调压塔，管路中安装缓冲排气 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 阀。采用这些措施，管道中压力均降至 安全承压范围之内，有效的对突然停泵 下的管道水锤升压进行防护，使管道运 行安全稳定。管道承压值设计为 1.6MPa。二级加压泵站段可依同理计算。 4.3.2 重力流关阀计算与分析 以中水管线为例，末端阀门关阀 快关 60-70，分析不同快慢关时间对 水锤升压的影响。 管路中每隔 8001000 米、并 考虑在管线凸起处安装排气阀的原则设 置缓冲排气阀之后进行试算。在桩号 17+700 安装减压恒压阀，在桩号 30+200 处安装箱式双向调压塔。按上 述相同的模拟工况试算变化情况，其中 之一工况如下图所示： 在桩号 30+200 安装箱式双向调 压塔，指定桩号处安装缓冲排气阀。缓 冲闭合流速为 0.30.8m/s，末端阀门快 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 关 510s，快关角度 6070 度，总关时 间 60360s 的情况下，管道中的水锤最 大和最小包络线。通过以上图可以看出： 在桩号 30+200 处安装箱式双向调压塔， 末端阀门不同快慢关时间及角度，缓冲 排气阀不同闭合流速下，所有管段的水 锤升压降低至 260270 米，在安全承压 范围之内。改变缓冲排气阀不同的缓冲 闭合流速以及末端阀门不同的快慢关时 间和角度，对于管道中的水锤压力影响 不大，管道压力都符合安全承压要求， 管道中压力很稳定。有效的对末端关阀 的管道水锤升压进行防护，使管道运行 安全稳定。 5、结论和建议： 在长距离输配水系统的设计中， 首先要根据工程实际情况优选线路。输 水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰 或坡度剧变。设置高位水池情况下，采 用水泵出口安装两阶段缓闭蝶阀，管线 首段安装箱式双效调压塔，管线多处位 置安装恒速缓冲排气阀，管线末端安装 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 两阶段缓闭蝶阀的水锤防护方式，对管 线发生事故停泵时的水锤防护作用是安 全可靠的，水锤防护最主要的是多处断 流弥合水锤的防护问题，由于排气阀是 长距离输水管道工程的必选设备，具有 恒速缓冲功能的排气阀又具有消减断流 弥合水锤的作用，因此，应将具有恒速 缓冲功能的排气阀作为最基本的断流水 锤防护措施。采用恒速缓冲排气方式及 箱式双向调压塔对多处断流弥合水锤进 行防护，能达到很好的水锤防护效果。 归纳此类工程解决方案总结如下，仅供 参考。 (1) 对长距离输水系统进行非稳 定流水力分析和计算。 为保证输配水系统的稳定运行， 需对其进行非稳定流水力计算，尽可能 详细确定各管段在各运行工况下的水力 状态，将系统非稳定运行的隐患控制在 最小范围内，为解决爆管现象提供理论 依据，从理论上预防爆管事故的产生， 而目前计算机电算化的广泛应用已使进 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 行这种大规模的计算成为可行。 (2) 合理选择安装性能良好的排 气阀。 由于供水管道存在 6 种气水两 相流态，排气阀应该具有如下三种排气 功能。 大量排气主要满足层状流， 波状流排气要求； 水气相间排气主要满足段 塞流，气团流排气要求； 微量排气满足可能产生的 少量气体的排出。 其中大量排气一般是在管道低 压力时，易于实现。