（市政工程专业论文）大流量较平坦长距离有压输水管路水锤防护研究.pdf

摘要 随着我国经济的持续不断发展和人口的不断增长，工农业和人民生活用水量持续增 加，使我国目前存在的水资源供求矛盾更加突出，而与之相对应的是供水管网的老化， 水体污染等引起的供水量的不足，这使水资源供求矛盾更趋激化。 水资源的缺乏已严重阻碍了一些城市的发展。为解决这一问题，国家和地方相继投 入了大量的人力、物力，进行了长距离引水工程的建设。如近几年来的南水北调、内蒙 古引黄、引黄济青、引黄入晋等等。在长距离输水工程中，最常见而又最突出的问题就 是长距离输水管线的防护问题。 为了对长距离输水管线水锤防护问题进行更深一步的探讨，本文以输平坦大管径大 流量的长距离管线的水锤防护为研究方向，在前人的基础上对长距离输水管的水力流态 及演化进行了阐述，由此出发，对管道常用的各种水力设备及设施的结构性能进行了更 深一步的分析，探讨了长距离输水工程中水锤防护对设备的要求，并结合珠海平岗输水 管线、康平电厂输水管线、大伙房输水入连应急工程输水管线工程实例为较平坦长距离 大流量输水管线的水锤防护提出参考意见。对于长距离输水工程的水锤防护设备的选择 具有很强的工程实用意义。 本文简要的阐述了水力过渡过程中常用的特征线法，结合特征线法以及水锤防护设 备的结构及性能特点，提出了在工程实际计算中设计人员对水锤防护设备性能了解的重 要性，水力过渡分析过程中必须从设备性能的实际情况出发编制合理的边界条件，以几 种排气阀为例分析了不同类型排气阀性能的不同，和采甩的边界条件的不同。对长距离 输水管线水力过渡分析提供了参考价值。 本文结合长距离较平坦输水管线断流水锤的特点，分析了有压输水管道气囊运动特 点以及断流水锤的最佳防护方式，结合大伙房输水入连应急工程等工程实例提出了在平 坦的长距离输水工程中断流弥合水锤的最佳防护措施，不仅在大伙房输水入连应急工程 方案分析中起到了积极的作用，而且对于类似工程水锤防护提供了参考价值。 关键词：长距离、有压输水、平坦管路、水锤防护 a b s t r a c t w i t ht h es t e a d i l yd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dc o n t i n u i n gr a i s eo fp o p u l a t i o n , t h ew a t e r d e m a n di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n dd a i l yu s eh a v eb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n dt h e c o n t r a d i c t i o no fw a t e rs u p p l ya n dd e m a n da r ea l s om o r eo u t s t a n d i n g l y h o w e v e rt h ew a t e r s u p p l yn e ta n dt h ew a t e rp o l l u t i o na n ds o m eo t h e rr e a s o n sm a k et h ec o n t r a d i c t i o nm o r e s e r i o u s t h ew a t e rs h o r t a g eh a si m p e d e dt h ed e v e l o p m e n to fm a n yc i t i e s i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，t h ec e n t r a la u t h o r i t ya n dl o c a lg o v e r n m e n tp u tal a r g en u m b e ro fp e o p l e ，m a t e r i a l a n dm o n e yi nl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp r o g r a m f o re x a m p l et r a n s p o r tw a t e rf r o ms o u t h t on o r t h ，t r a n s p o r tw a t e rf r o my e l l o wr i v e rt on e i m e n g g u ，t r a n s p o r tw a t e rf r o my e l l o w r i v e rt oq i n g d a o ，t r a n s p o r tw a t e rf r o my e l l o wr i v e rt os h a n x i i nt h el o n gd i s t a n c ew a t e r s u p p l yp i p ec o n s t r u c t i o np r o j e c t ，t h em o s to u t s t a n d i n gp r o b l e mi sh o wt op r o t e c tt h ep i p e i no r d e rt or e s e a r c hh o wt oa l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ro ft h el o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l y p i p em o r ed e e p l y , t h i st h e s i sb a s e do nt h es e n i o r sr e s e a r c ho ns i x l 【i 1 1 do fa i r - w a t e r t w o - p h a s ef l o wa n dd e v e l o pi np r e s s u r ea n dl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp i p e u s e “s t u d yo n t h ew a yt oa l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ri nl o n gd i s t a n c ea n dh i 曲v e l o c i t yo ff l o wf l a tw a t e r s u p p l yp i p e ”a st h ep a p e rt o p i c t h e ng i v ead e e p e ra n a l y s i sa b o u tt h es t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t y o ft h ee q u i p m e n t sw h i c hi sc o m m o nu s eu s e do nw a t e rs u p p l yp i p e a n dd i s c u s st h ew h a t e q u i p m e n t si sd e m a n d e di no r d e rt o a l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ri nl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l y p r o g r a m t o g e t h e rw i t ht h ep r o j e c ts u c ha sp i n g g a n gw a t e rs u p p l yp i p ep r o j e c ti nz h u h a i 、 w a t e rs u p p l yp i p ef o rk a n g p i n gp o w e rp l a n tp r o j e c t 、d a h u i f a n gw a t e r s u p p l yp i p et od a l i a n p r o j e c t s o m es u g g e s t i o n sa r eg i v e nt oa l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ri nl o n gd i s t a n c ep r e s s u r e w a t e rs u p p l yp i p e t h i st h e s i sc a ng i v es o m eu s e f u li n f o r m a t i o no ns e l e c t i n gt h ee q u i p m e n tt o a l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ri nl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp r o j e c t m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi sw i d e l yu s e di nh y d r a u l i c t r a n s i e n t sa n a l y s i si s d e s c r i b e d ，t h ec a p a c i t yo fe q u i p m e n tt oa l l e v i a t ew a t e r h a m m e ri sc o n s i d e r e di nu s i n g m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s i t si m p o r t a n tt od i s t i n g u i s ht h ec a p a c i t yd i f f e r e n c eo ft h e e q u i p m e n tf o rt h ep r o j e c td e s i g n e r f o re x a m p l e ，t h e r ei sd i f f e r e n tg a sv e n tv a l v e ，a n dt h e r e a r ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fw a t e rh a m m e ri nl o n gd i s t a n c ef l a tw a t e rs u p p l yp i p e ，t h e h a z a r do fa i rp o c k e tm o t i v ew a sa n a l y s e s a n dt h eb e s tw a yt oa l l e v i a t et h ew a t e rh a m m e ro f c a v i t yc o l l a p s i n gw e r ep r o p o s e d ，t h a tw a sag r e a t l yh e l pt om a d ea l l e v i a t ew a t e rh a m m e r s c h e m ei nd a h u o f a n gw a t e rs u p p l yp i p et od a l i a n , a n di tc r l lb ec h o s e nt os i m i l a rp r o j e c t k e yw a r d s ：l o n gd i s t a n c e ；p r e s s u r ew a t e rt r a n s p o r t a t i o n ；f l a tw a t e rs u p p l yp i p e ； a l l e v i a t ew a t e r - h a m m e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 习啁 1 年f 月弓d 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 1 习咀 导师签名： 1 年期 d 日 并易秒熙1 年1 5 r 月1 日 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 选题的背景 水是人类以及一切生物赖以生存的不可缺少的重要物质，也是工农生产、经济发展、 环境改善中不可替代的极为宝贵的自然资源。我国处于东南亚季风气候区，从降水的年 度分布来看，几乎1 3 , - , 2 3 都集中在夏季，在地理上主要集中在我中东部和南部，时间 和空间分布不均。水旱灾情最显著的特点就是南方多洪涝，北方多干旱。在水资源的供 需上存在矛盾。 由于人口的持续增长和经济的高速发展，工农业和人民生活用水将持续增加，使目前 存在的水资源供求矛盾更趋激化，主要表现在：一是供求总量更加不平衡，需水量增长的 速度超过可供水量的增长速度，供水状况趋于恶化；二是北方地区和沿海工业发达地区 等地域性水资源供求矛盾日趋恶化，将严重制约社会的发展；三是巨大的人口压力对发 展耕地灌溉事业提出更加紧迫的要求。而工业城市将是用水量增加的主要部门。城市用 水量骤增，将对农业灌溉用水构成严重的威胁，部门用水矛盾更加尖锐。到2 1 世纪3 0 年代用水量实现零增长之前，全国用水总量将可能达到7 0 0 0 亿m 3 ，比目前需水量要增 加2 0 0 0 亿m 3 , 平均每年增加1 0 0 亿m 3 t 1 】 但是与之相对的却是供水管网的老化、水体污染等引起的供水量的严重不足。由于 人民的生产，生活和社会活动等原因对城市附近水源和河流的污染，地下水的存量不足 以满足人们的生产生活需要，为避免过度开采引起的地面沉降，使得人们不得不从距城 市较远的水源地去取水。调查显示，我国大部分城市和地区均处于缺水状态，有十五个 省人均用水量低于严重缺水线，其中天津、上海、北京、宁夏、河北、河南、山东、山 西、江苏、辽宁等十个省市区人均水量低于生存起码线。 水资源的缺乏已严重阻碍了一些城市的发展。为解决这一问题，国家和地方相继投 入了大量的人力、物力，进行长距离引水工程的建设。如近年来内蒙古引黄工程、引黄 济青、引黄入晋、南水北调工程等。很多都是长距离大管径有压输水工程。还有众多为 解决各城市生产生活用水而兴建的各种长距离输水工程等等。在这类输水工程中，最常 见而又最突出的问题就是输水管线的安全防护问题。一旦出现水锤，它会以迅雷不及掩 耳之势破坏生产设备，淹没农田并殃及周围人员，给生产部门带来重大损失，甚至很多 第一章绪论 工程因此面长期搁浅，运行调试工程一直无法完成。长距离输水管路的安全防护有着很 强的现实应用意义。因此，本文选择以大管径大流量较平坦输水管路水锤防护作为研究 方向。 1 1 2 研究的意义 在长距离输水管线中，按地形的起伏大小可分为多起伏的长距离输水管线和较平坦 的长距离输水管线。较平坦管线由于管线沿程起伏相对较小，输水时相对耗能相对较少， 所以利于设计为大管径高流速的输水管线，如珠海的平岗管线，管径d n 2 2 0 0 m m ，设计 流速为2 5 6 r r g s 。 在长距离输水工程水锤防护研究中，输水管线上所用到的水力设备的研究是不可忽 视的。尤其近年来各种新产品层出不穷，但产品的性能方面的系统论述却不常见。本文 从对长距离输水工程中流态的研究入手，对长距离输水工程中所应用的水锤防护设备 ( 设施) 性能进行了探讨，对以后此类工程的设备选型提供重要的参考意义。 较平坦输水管线水力瞬变有独特的特点。对较平坦大流量大管径的输水管线水力防 护的研究有助于以后类似工程的水锤防护设计。而国内在此方向目前的研究还仅限于对 长距离输水管线的水锤防护，并未考虑到因地形高差不同，长距离输水管线水锤现象有 所不同的特点。因此，本文重点在于较平坦大流量输水管线水锤防护的研究，望对类似 工程的水锤防护提供参考意义。 1 2 主要概念和研究思路 1 2 1 本文所提到的主要概念 现在，国内外普遍将国内外管路系统所发生的多种多样的水锤现象，一律称为“泵 站管路系统水力过渡过程，这一名诃不仅覆盖了所有水锤现象，而且科学地概括了在 泵站管路系统当中，从某一稳定状态过渡到另一稳定状态的过程中所发生的非稳定的一 例引。但本文在水锤研究方面，因面向实际工程，而在工程界目前还习惯沿用水锤的说 法，为了阅读的习惯，所以仍以水锤为概念来代替简化文中所所涉及的水力过渡过程。 在水力过渡过程中，在管路中发生的水柱分离( 最新说法为大空腔现象f 2 l m a c r o c a v i t a t i o n ) 和断流空腔再弥合水锤，目前是有压输水管路水锤防护的重点。 同样为了阅读的方便，本文仍沿用水柱分离或水柱拉断的说法。 在断流弥合水锤水柱分离时，不管由于管路中密封较好的管段中出现高真空度的蒸 2 长安大学硕士论文 气腔，还是因为采用空气阀后将相当数量的空气吸入管内并形成充满空气的大空气腔， 本文均以水柱分离描述，如无特别说明，无论是蒸气腔产生的蒸气腔断流弥合水锤还是 空气阀处的空气腔断流弥合水锤，均以断流弥合水锤泛指。 1 2 2 本文研究技术路线 本文以前人有压输水管道中的六种流态为基础，对长距离输水管的水力流态及演化 进行了阐述，由此出发，结合各工况下的流态对有压输水管道常用的各水力设备及设施 的结构性能进行了更深一步的分析，探讨长距离输水工程中水锤防护对设备的要求，并 结合珠海平岗输水管线、康平电厂输水管线、大伙房输水入连应急工程输水管线工程实 例为较平坦长距离大流量输水管线的水锤防护设备选择提出参考意见。 本文以水力过渡过程中常用的特征线法，结合特征线法以及水锤防护设备的结构及 性能特点，提出了在工程实际计算中设计人员对水锤防护设备性能了解的重要性。水力 过渡分析过程中必须从设备性能的实习情况出发而编制合理的边界条件，做到实事求 事，并以排气阀等为例分析了不同类型排气阀性能的不同，从而需采用不同的边界条件。 本文结合长距离较平坦输水管线断流水锤的特点，分析了有压输水管道气囊运动特 点以及断流水锤的最佳防护方式，结合大伙房输水入连应急工程等工程实例提出了在输 平坦的长距离输水工程中断流弥合水锤的最佳防护措施，提出长距离较平坦输水管路水 锤防护的特点。 1 3 本文的主要内容 本文针对较平坦大管径长距离输水管路的特水力特点，总结前人的基础上，以工程 应用上水锤防护的实用性为出发点，结合工程实例进行计算、分析和研究，主要完成以 下工作： 总结前人气液两相流的基础上，提出长距离输水管线上气液两相流的特点和发生的 工况。以这些工况作为依据，阐述长距离输水管线在水锤防护上对选取设备的技术要求， 并对常用水锤防护设备结构性能进行分析，并做出评价。 从气液两相流基本方程式出发，系统阐述了特征线法计算水锤的方法和原理，并提 出在以特征线法计算水锤升压时，必须充分考虑到设备的性能，应该根据设备的具体性 能来设计合适的边界条件。在长距离输水管线水锤防护设计时，水锤防护设备的选择必 须在性能上满足设计思想上的要求，并结全实例来说明对水锤防护设备正确的计算模拟 3 第一章绪论 的重要性。 以珠海平岗管线等数项长距离较平坦输水管线为例，以特征线法为计算方法，充分 考虑设备选择对水锤计算以及实际水锤升压的影响，提出在长距离较坦输水管路上水锤 防护的最优方法。 4 长安大学硕士论文 第二章有压供水管道水锤理论及防护问题研究现状 2 1水锤防护理论基础气液两相研究综述 2 1 1 气液两相流研究的发展 水锤的研究历史最早可以追溯到1 9 世纪关于波的传播理论的探讨。水力过渡最早 是从探讨声波在空气中传播和波在水中的传播以及血液在脉动中流动开始的。根据输水 方式的不同，可将水力过渡划分为：( 1 ) 、压力管道水力过渡过程；( 2 ) 、明渠水力 过渡过程：( 3 ) 、明满交替水力过渡过程。但是，直到弹性理论、微积分学以及解偏 微分方程的方法建立以前，这些问题都不可能精确地获得解决【3 1 。 拉格朗h ( l a g r a n g e ) 【4 】1 7 8 8 年分析了可压缩与不可压缩流体的流动，发展了速度势 的概念并提出了明渠流中的波速计算公式c = 劝，办为水深。 欧拉( e i d e r ) 建立了更为详细的弹性波传播理论并导出波传播的偏微分方程。1 7 8 9 年，蒙吉( m o n g e ) 提出了偏微分方程的图解法，并提出了特征线法这个名词。 y o u n g 5 】研究了管道中压力波的传播。韦，f f t ( w e b e r ) 研究了弹性管中的不可压缩流体 的流动并做了决定压力波速度的试验，他建立了运动方程和连续方程。1 8 0 8 年拉塞尔 ( r e s a l ) 6 】发展了连续方程和运动方程，提出了二阶波动方程。这些方程是我们研究的基 础。 首先对水锤问题进行研究的是意大利工程师门那布勒( m e n a b r e a ) 7 1 。他在1 8 5 8 年 发表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在由波的传播所引起的压力变化 上面。他利用能量原理，考虑了管壁和流体的弹性，导出了波速公式，说明了水击的基 本理论，从此奠定了弹性水击的理论基础。 同一时期，美国、俄国和意大利的学者分别发表了比较系统的水锤理论的著作。1 8 9 3 年，w e s t o n 和c a r p e n t e r 8 j 为建立管道水流流速减小和压力升高的理论关系做了许多实 验，但由于管道太短没有成功。1 8 9 8 年，美国工程师弗里泽尔( f r i z e l l ) 1 9 l 在美国土木工 程师协会会报上发表了论文“管道中流速变化所产生的压力”。文中弗里泽尔导出了水 锤波速和由于流速突然变化所产生的水锤压力的公式，并且指出如果管壁弹性模量是无 限大，水锤波速与声波在不封闭的水中的速度等。文中还讨论了分岔管，波的反射以及 连续波对速度的影响等问题。 1 8 9 7 年，俄国空气动力学家儒可夫斯基( j o u k o w s k i ) 1 1 0 1 在莫斯科用不同管长和管径 5 第二章有骶供水管道水锤理论及防护问题现状研究 的长管做了许多实验，根据实验和理论研究，他于1 8 9 8 年发表了题为“管道中的水锤 的著名论文。文中建立了速度减小与压力升高的关系式，即著名的儒科夫斯基公式；讨 论了压力波沿管道的传播和压力波在出流端点的反射；对调压室、安全阕以及阀门关闭 速率等对水锤的影响也进行了研究；同时发现在关阀时间t 小于等于2 l a ( i 其中l 为管 子长度，a 为波速) ，压力升高达到最大值。 意大利工程师阿列维( a 1 l i e v i ) 【l l 稍后于儒科夫斯基，于1 9 0 2 年发表了关于水锤理论 的论文。儒科夫斯基的研究只解决了直接水锤的问题，阿列维则在理论分析的基础上， 解决了间接水锤的问题。他在计算公式中引进了迄今仍在使用的水锤常数。他推导了阀 门处压力升高的计算公式，做出了均匀开启或关闭阀门时，压力升高和下降的图表，便 于实际应用。儒科夫斯基和阿维列的理论在2 0 世纪2 0 年代以前获得了广泛应用。 从1 9 世纪初至2 0 世纪5 0 年代末，伍德( w o o d ) f 1 2 l 、洛威( l o w y ) 等人提出了图解法， 伯格龙( b e r g e r o n ) 、帕马京( p a r m a k i a n ) 等对图解法做了全面系统的发展。 1 9 3 8 年a n g u s 【1 3 l 提出了对于复杂管道和分岔管道的水锤压力和液柱分离计算。其他 提出流体分离的学者还有l u p t o n , r i c h a r d t m l 等。 2 0 世纪6 0 年代初期，美国著名流体力学专家斯特里特v l ( s t r e e t e rv l ) 教授连续 发表几篇论文【1 5 t1 6 1 ，讲述特征线法进行水锤计算的阎题。1 9 7 8 年怀利e b ：w y l i ee b ) 和斯特里特v l ( s t r e e t e r v l ) 合著了 = 簪 晓2 4 ) 从式( 2 1 9 ) 到式( 2 2 0 ) 便是水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。当各点 初始状态时的q 、日值和边界点的条件方程己知时，就可根据前一时段f o 时刻已知的q 、 h 值，用方程( 2 2 3 ) 、或( 2 2 4 ) 求出后一时段乇+ 垃时的q 、日值。对于所有内结 点的计算就用以上介绍的方法计算，至于特殊边界点的瞬时q 、日值就需另行考虑了。 2 2 3 特殊点边界条件的确定 从上面对特征线法的介绍可以看出，对于单一管路路两个端部结点，都只有一个相 容性方程可以利用。为要确定边界上的两个控制参数q p 和i - i p 值，必须再补充一个边 界条件方程。常见的边界条件方程有如下几种情况： 1 边界上的h p 和q p 是独立于管路系统的控制参数，如管路上、下游为水位恒定 的水池时，边界结点h p 是固定常数，相容性方程可用来求解q p 。 2 边界上的h p 和q p 之间存在着一定的函数关系，如边界上有正常运转的水泵， 肿和q p 之间函数关系与相容性方程联立可解出边界上的肿和q p 值。 3 边界上的h p 和q p 值还与其他边界条件参数有关如发生事故停电时的泵，这时 泵的性能曲线就与泵的瞬时转数有关，由于增加了瞬时泵转速这个拳变量，则需要再多 加一个边界条件方程。 国内外众多学者对特殊点边界条件进行了大量的研究，并提出了若干水锤防护装 置w y l i e t 4 0 1 等研究了有压输水管道系统水锤防护的多种装置，包括单、双向调压塔，水锤 1 4 长安大学硕士论文 消除器，气压罐，空气阀，止回阀等防护装置s t e p h e n s o n 4 u 和l e e 4 2 1 等对空气阀的性能进行 了研究刘竹测4 3 1 等对泵站水锤及防护装置进行了大量分析研究刘光临1 4 4 4 5 】等研究了水 泵出口阀关闭程序对管道系统压力和调压塔水位变化影响王学芳【钓】等研究了长输水管 线中安装空气进排气阀对空泡溃灭水锤的影响，并对空气阀的特性进行了研究金锥、杨 玉思【2 】等对断流水锤理论、计算和防护进行阐述。刘华m 提出了泵房和输水管线设计中 应注意的问题及停泵水锤的防护措施。刘梅清【4 8 】等对单向调压塔防水锤特性进行了数值 模拟与研究。 虽然以上各位专家学者对特殊点的边界条件进行了研究探索，分别提出了各自的模 型假设并得到了十分重要的研究成果，但由于水锤防护设备的不断发展，并签于设备的 多样性，同类设备因不同设计原理而产生构造上的不同，从而引起水锤防护性能的不同， 在实际长距离有压输水管路系统水锤防护计算中，选用的边界条件切不可生搬硬套，应 本着实事求的原则，具体问题具体分析，对设计时所选用设备的性能应做到充分了解， 吸收以上各位专家在进行边界条件模型设计时的要点，有必要的情况下需结合各自工程 选用设备的特点，提出新的模型设计，这样才能采取合理的边界条件。后面对于设备介 绍时将对此问题进行详细的分析，并举例详细说明。 2 3 水锤防护措施分类 在长距离输水系统中，泵系统中停泵水锤这一水力过渡过程是由降压开始的。随着 水锤预防技术的发展，目前已有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的 水锤升压问题，水锤防护措施大致可分为以下四种类型f 2 l ： 1 注水( 补水) 或注空气( 缓冲) 稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防 止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。这种类型的设备有单向调压塔( 水池) 、 空气罐、注空气阀以及双向调压塔等。 2 合理选择阀门种类，延长其启闭历时进行阀门调节与控制。阀门缓慢地关 闭和开启，可减小输水干管中流速的变化率，从而可以减小水锤升压的升高和降低。阀 门的关启和关闭历时必要情况下必须通过计算机模拟进行水力分析后确定，这种类型的 设备有普通缓闭止回阀，两阶段关阀碟闭、水泵控制阀等。 3 泄水降压，避免压力升高。这种类型的有停泵水锤消除器、防爆膜、设置旁通 管以及取消普通旋启式止回阀等。 4 其他方法。例如选用转动惯性较大的水泵机组或增装惯性飞轮、在较长的输水 1 5 第一二章有压供水管道水锤理论及防护问题现状研究 管路中增设止回阀等。 以上是对常用的水锤防护设施按防护原理进行分类说明，在长距离有压输水管路系 统中则分为泵站的水锤防护和管线的水锤防护，水锤防护不仅要考虑到停泵水锤的防 护，也应考虑到起泵水锤的防护，而水锤防护选取设备的具体性能分析见长距离大管径 大流量输水管线水锤防护设备对比分析。 1 6 长安大学硕士论文 第三章平坦输水管道断流水锤特点 3 1平坦输水管道气水两相流态及转化 3 1 1 长直有压输水管道常见六种流态 在城镇有压输配水管道中，由于设计流速一般不大，管道中的气体多以气囊形式存 在于管道上部。在多起伏的管道中，气囊多存在于管道的凸起点；而在坡度小，较平坦 管道中，气体则以众多相互独立的大气囊形式分散存在。据美国著名水锤专家马丁教授 的研究理论，较平坦的供水管路呈现六种气液两相流状态【4 9 1 。 & 三三三三三三三三三三三三三三三三刍屡状泷 庄三三三三三三圣三三兰三三三三三三三三习波状漉 三三主! ! 三三三兰三竖三三马段塞流 露z 三置y 1 薯5 夏苎耄r 鼍和气豳液 & ! 二王二三二二二三三三二二三二二三三二9 泡诛漉 匿要三= 置塞芝蓍要羞要要三罡羔耋环状漉 二啊_ _ _ - _ h _ _ 一h _ _ - - - _ _ _ _ _ - - 二：_ 二_ = 【1 ：y p d 兀l 【 图3 1 输水管道六种流态图 3 1 2 六种流态的产生阶段 层状流主要产生于通水开始阶段，管中水量较小，气液两相流速都较低。 随着管中水量的增加，管中气体压缩，液相流速变化不大，气相流速变大，此时产 生波状流。 当管中已充入大量的水，气相形成长条形的气团，聚集在水平管上部，形成段塞流。 进一步开大阀门，液相流速变大，产生气团流。 当管中液相发生剧烈扰动时，气液发生混合或出现负压气体从水中析出时，产生泡 沫流。 环状流仅在气液两相非稳定流动的某些特殊情况下出现。 3 1 - 3 六种流态的相互转化 ( 1 ) 层状流一波状流一段塞流 ( 2 ) 气团流一段塞流 1 7 第三章平坦输水管道断流水锤特点 ( 3 ) 泡沫流一气团流 ( 4 ) 环状流一波状流 正二二二习 匝三薹至薹鹗； ( 1 ) ( 3 ) 正二二二二3 ( 4 ) 图3 2 六种流态相互转化 由以上六种流态的转化f 5 0 1 分析可以发现，在长距离输水管路中，段塞流是气液两相 流的最终转化形式。因此在长距离输水管路上选择某些水锤防护设备时必须考虑到长距 离输水管路中水的流态形式。 由于有压输水管道存气的主要形式是段塞流，即气体以不连续的多个或独立气囊存 在于管顶。其气囊长度和占过水断面面积取决于气体含量、管径大小及管道纵断面条件 等等。理论研究和实践表明，气囊沿管顶随水流运动，易在管道转弯凸起、变径、阀门 等处产生聚集，并产生压力振荡。由于管网水流速度和方向具有很大的随机性，气囊运 动引起的压力升高将在很大程度上取决于水流速度变化的剧烈程度。国外有关实验表 长安大学硕士论文 明，其压力可高达2 0 0 多米水柱i 2 0 1 ，足以破坏一般供水管道。此外值得注意的是，长期 在管网中运动的气囊，其体积的大小随所到之处的压力大小变化。这进一步加剧了含气 水流的压力波动，造成管道爆裂增多。管道含气危害由含气量的大小、管道构造以及运 行操作等等因素有关决定，给有压输水管网造成了很大的危害。 3 2 有压输水管路气囊的危害 3 2 1 显性危害 ( 1 ) 排气不畅造成通水困难 在水气相间时，浮球式排气阀的大排气口的作用几乎为零，仅靠微孔排气，造成了 严重“气堵 ，空气排不出，水流不畅，通水期间需进行人工压球辅助排气，还经常造 成管道的其他故障，通水短则数月，长则数年才能完成。典型的是我国华北某大城市重 力流输水管，采用的是日本进口排气阀，通水时每个阀门井派6 个人3 班倒进行人工辅 助排气【5 1 1 。 ( 2 ) 排气不畅造成水阻增大，流量达不到设计值甚至接近于零 我国南方某沿海城市，供水管道长1l k m ，使用浮球式排气阀只能微量排气，造成 管道气阻，运行一段时间，流量降低1 8 ，后将其中7 台排气阀更换成气缸式，才通水 顺畅。西南某市，管径d n l 6 0 0 ，管长约1 5 k i n ，沿线装2 1 台浮球式排气阀，试通水耗 时2 年多，输水量达不到设计要求，且运行不稳定，最后更换了1 1 台能大量排气的气 缸式排气阀，才通过验收。西北某大城市，因管道气堵，水厂供水必须每天进行人工排 气，后选用法国、德国的排气阀仍无法解决问题。华北某大城市和电厂也都出现过类似 的现象，后来通过采用气缸式排气阀解决了问题【5 1 1 。 ( 3 ) 排气不畅造成通水及运行期间爆管，供水系统无法正常运行 管道因排气阀只能微量排气而造成爆管的现象很多，根据有关理论计算，排气不畅 引起的气爆压力最高可达2 0 - - - 4 0 个大气压，其破坏力相当于静压4 0 - - 8 0 个大气压，足 以破坏任何供水管道，工程上最强的球墨铸铁管被破坏都屡见不鲜，各类管道爆管事例 更是不胜枚举，典型的有，东北某市，输水管长9 1 k m ，几年运行爆管达1 0 8 次，沈阳 建工学院的专家经分析后结论为气爆。南方某市输水管仅长8 6 0 r n ，管径d n l 2 0 0 ，运行 年爆管达6 次之多：西北某市，管长1 0 2 k m ，管径d n l 2 0 0 运行两个月爆管3 次。结 论是因排气阀只能是微量排气引起的气爆破坏。后将排气阀更换成能保证大量排气的气 缸式排气阀，解决了爆管问题【5 1 l 。 1 9 第三章平坦输水管道断流水锤特点 我国中原某市水源地由3 3 口水源井及3 7 k i n 管道构成。管道直径d n 3 0 0 d n l 2 0 0 ， 试通水时由两口井向整个系统注水，其余井用阀门关闭，运行工况类似于树状给水管网。 设计运行压力0 2 - - 0 3m p a , 分段试验压力o 7 5m p a ，合格后全线连通试通水7 次，历 时近三年，管道爆裂达1 1 5 处，工程主管和设计方曾多次到北京、上海、武汉、郑州等 地找了几十位知名专家，没得到明确的答复，后经长安大学进一步实验，才认识到爆管 的真正原因是管道排气不畅。最后使该管道上的排气阀在性能上满足水气相间时高速缓 冲排气的要求。再次通水压力达0 4 2 m p a 时，管道安全运行，顺利通过了验收。由此可 见，因管道排气不畅造成的“气爆”破坏，不仅严重，还非常难以被人们甚至是专家所 认识。 3 2 2 隐性危害 ( 1 ) 有可能使管道压力不稳，流量调节失准，管道自动控制失稳； ( 2 ) 管道漏水量增加； ( 3 ) 管道故障增多，长期不断的压力震荡造成管道接头及管壁疲劳，引起使用寿 命降低等问题； ( 4 ) 造成管道故障较多，增加了维护管理费用及意外赔偿损失；被迫采用加强管 道，增加工程造价。 3 3 有压输水管道气囊升压机理 如前所述，较平坦管道在充水和运行中可能有六种流态，但其中层状流，波状流仅 在管道充水的初始阶段存在，泡沫流，气团流以及环状流都存在时间较短，或称之为过 渡流态，故一般情况下管道存气多呈段塞流形态或其特例独立的大气囊形态。 管道气囊运动或断流水锤升压主要有三种工况f 5 2 1 ： 3 3 1 气囊在管内运动工况； 有压管道内气囊运动产生的压力升高往往类似于断流弥合水锤，其升压值与气囊所 占管道过水断面的大小及气囊两端压差有关。假定某管道中存有的气囊突然聚集，横断 面积为管道断面的1 4 ，聚集后气囊两端压差h 为0 o m ，该管段局部阻力系数之和为l ， 刚该气囊从静止突然启动，其运动速度v 可达1 2 8 r n s ，由气囊运动引起的主管道水流 突然变化i v 为1 2 8 4 = 3 2 r r g s 。特别值得注意的是，气囊引起的断流弥合水锤升压极快， 往往在不到1 秒就迅速升压到最大值，假定此管段波速为1 0 0 0 m s ，由直接水锤公式可 长安大学硕士论文 得流速变化引起的水锤压力升降为3 2 0 m 水柱。足以对管道造成严重破坏。 3 3 2 气囊通过管道中连通阀门，管道出口等工况： 著名美国水锤专家v l s t r e e t e r 在其所著瞬变流( h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) - - 书中介 绍了一个算例：一条由水池接出的直径为1 m 、长度为6 1 m 的单一管道，水池水位为3 0 m ，距管道末端1 2 m 一段存有空气，管首端阀门在0 9 5s 内打开，该管段开始时绝对压 力为1 0 2kpa ，在接近2 5s 时猛增至绝对压力2 3 3 1kpa ( 约2 2 3 米水柱) ，由此 可见气囊运动所引起管道压力振荡的严重程度。 3 3 3 断流弥合的水柱撞击工况。 当管道流量调节过快或突然停泵等造成局部压力骤降，并出现断流空腔时，空腔两 端的水柱会在压力波反射后迅速回冲，弥合断流空腔，并引起较大的水柱撞击升压，称 之为断流弥合水锤。断流弥合水锤升压大小与其空腔内含气量及排出方式等有关，最大 a h = u _ _ a v 升压可按直接水锤计算公式，即 g 计算。 式中：h _ 断流弥合升压( 米水柱) ； 卜波速，一般为8 0 0 - - , 13 0 0 m s ； r 重力加速度，9 8 1 r n s 2 ； 么v _ 流速变化( m s ) 3 4 各工况预防压力波动分析和最佳排气方式 3 4 1 管道初次充水 充水时管道内水力条件复杂，随着管道复杂程度的不同，气囊会在不同的位置聚集 和分散。尤其在逆坡处，气囊有可能随水流运动，也有可能静止在某一处或逆水流动。 管道充水的流速控制相当重要，当充水速度过快，排气速度不能满足充水要求时， 将形成气堵，严重时将发生气爆。如果充水速度过慢，管道中存气将不能被水流带走， 造成管道中存气过多，为以后管道安全运行埋下隐患。 充水初期管道中的流态为层状流、波状流，充水后期管道中流态主要为段塞流。这 就要求排气装置在这三种流态下都能高速排气。 由于气囊运动极易使管道产生压力波动，排气阀性能除了必须满足在各流态下的排 气要求之外，它的关闭也关系到有压管道的稳定，排气阀快速关闭可引起压力振荡，严 2 1 第三章平坦输水管道断流水锤特点 重时将会威胁到管道安全。所以排气阀除必须具有任何流态下均可高速排气的功能外还 必须具有缓冲关闭的功能【5 0 】。 3 4 2 运行阶段 压力管道或管网正常运行时，管道内气囊主要是以段塞流形式存在。在非稳定情况 下有可能出现泡沫流或气团流。这两种流态下气体无法直接排出。并且这两种态为非稳 定状态，可很快会转化为段塞流。 由于管网中气囊随水流运行，较平坦管道中气囊运行速度大体与水流同速。当气囊 运动到排气口时要求排气阀能够快速打开高速排气。否则气囊将会运行到别处。不难理 解，管道中气囊排出的越早，运动的距离越短，对管道越安全。因此在这种工况下，排 气阀具有水气相间条件下大量排气功能是必须的，又由于正常运行的管道压力一般都大 于0 2 m p a ，排气阎在大量高速排气结束时，还应缓冲关闭，才能保证安全。 3 4 3 停泵( 或关阎) 突然停泵( 或关阀) 在其压水管路上可能产生两种断流空腔，即真空型或空气型， 真空型断流空腔产生的条件是断流发生处负压值接近水的饱和蒸气压，一般约1 0r l l 水 柱，且该处管道密封良好，无进气装置，这种空腔弥合时水柱撞击常为直接水锤，其计 算公式如下： a h = 竺( k + g ( 3 1 ) 式中：v 1 ，v 2 分别为断速弥合时上、下游水柱速度( m s ) ： 因撞击升压很高，且管道过大的负压也会造成饮用水的污染问题，城市供水系统一 般都不允这种工况的存在。 有压供水管道出现空气型断流空腔时，可因其注排气装置性能的不同分为三种工 况： ( 1 ) 断流处仅装真空破坏阎( 或性能差的浮球式排气阀) 。此种情况相当于仅注 气不排气，断流空腔相当于空气缸，其缓冲能力的大小与气囊的大小，即注气量有关， 其断流弥合升压的大小可用空气罐体积公式计算，即： w = y a l v 2 ( n 一1 ) ( c m 3 ) 【2 】( 3 2 ) 长安大学硕士论文 式中：r 水的密度( 采用r - - o 0 0 1 k g f f c m 3 ) ； g 一重力加速度( 采用g = 9 8 1 c n g s 2 ) ： v 一管中水流速度( e m s 2 ) ； a 水管断面面积( c m 2 ) ： 矿_ 体膨胀多变指数( 空气采用1 2 ) ； w - 空气体积； p l ，p 2 断流弥合时水柱撞击前后压力值( 单位为：9 8 1 k p a ，或0 1 m p a ) 。 一确纠 警+ - 6 伍3 ， 由此可见，空气囊只有较大体积时，其缓冲作用才较为明显，当注入空气较少时， 特别是大管径的管路时，其缓冲作用几乎没有，故这种工况断流水锤升压应通过计算再 下结论，否则很难预测。 ( 2 ) 断流处安装在一定压力下起球的浮球式排气阀； 目前，工程中对浮球式排气阀起球压力( i f - 球被空气冲起，堵住排气口，终止排气 的压力) 的要求大体上有三种，即o 0 6 m p a , o