（模式识别与智能系统专业论文）长距离高扬程多起伏输水工程水锤防护研究.pdf

摘要 对于长距离高扬程多起伏输水工程，一方面，长距离、高扬程要求，在正常供水工 况下，输水管道沿线不能出现过长的负压管段，否则在非稳定状况下可能造成管道外压 失稳的水锤破坏事故；另一方面，沿线存在多个驼峰管段，极易发生水柱分离与断流弥 合水锤，从而造成严重的水锤危害。本文通过分析长距离高扬程多起伏输水管道系统的 特点，从以下几个方面进行水锤防护论述： 根据气、水运动的基本规律和某些共性特点，利用“三线、三点”特征单元法，结 合马丁教授关于平坦管路气液两相流流态的研究理论，分析长距离高扬程多起伏管道的 流态特点。针对长距离高扬程多起伏输水系统的特点，初步确定可能的水锤防护措施。 以及简要阐述水锤防护设备的工作原理。 简要阐述水锤基本方程式，并给出水泵不同工况的边界条件，以及排气阀、调压塔 和超压泄压阀等常用水锤防护措施的边界条件。在水锤计算基本原理基础上，结合各类 边界条件建立了相应的水锤计算数学模型，应用c 抖语言编制水锤防护计算程序。 本文最后，以水厂至1 万方水池供水管线和榆林市工业园供水管线两个项目为例， 运用所编水锤计算机模拟程序进行了模拟计算分析。根据水锤计算结果，给出最优水锤 防护综合措施： 1 水泵出口处安装两阶段关闭液控蝶阀； 2 按照正常运行排气要求，沿线安装恒速缓冲排气阀； 3 在水泵出口汇水总管处及管线特殊部位( 压力高点或压力低点) 安装超压泄压 阀或箱式双向调压塔等。 望对于类似工程的水锤防护具有参考价值和借鉴意义。 关键词：高扬程多起伏输水管道、断流弥合水锤、水锤防护 a b s t r a c t f o rl o n g d i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ew i t hh i g h - l i f ta n dm u l t i f l u c t u a t i o n ，o nt h e o n eh a n d ，l o n g - d i s t a n c e ，h i g h - l i f tr e q u i r e s ，t h en e g a t i v ep r e s s u r ep i p es e c t i o n sa l o n gw a t e r p i p e l i n e sc a l ln o tb et o ol o n go nt h en o r m a lw a t e rs u p p l yc o n d i t i o n s ，o ro nan o n - s t a b l e c o n d i t i o n sm a yc a u s ew a t e rh a m m e rd a m a g ea c c i d e n t s r k t e m a lp r e s s u r eb u c k l i n go n p i p e l i n e ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ea r es e v e r a lh u m pa l o n gt h ep i p es e c t i o n s ，w a t e rh a m m e ro f c a v i t i e sc o l l a p s i n gw i t hw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o ne a s i l yo c c u r s ，l e a d i n gt os e r i o u sh a r mc a u s e d b yw a t e rh a m m e r i nt h i sp a p e r , a n a l y z ec h a r a c t e r i s t i co fl o n g d i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o n p i p e l i n ew i t hh i g h l i f ta n dm u l t i - f l u c t u a t i o n ，a n dd e s c r i b ew a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nf r o mt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： a c c o r d i n gt ot h eb a s i cm o v i n g r u l e sa n ds o m ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a sa n dw a t e r , u s i n gt h e t h r e el i n e s ，t h r e ep o i n t s ，f e a t u r e su n i tm e t h o d ，c o m b i n e dw i t hf i a tg a s - l i q u i d t w o - p h a s ef l o wp i p e l i n er e s e a r c ht h e o r yo fp r o f e s s o rm ad i n g ，a n a l y s i sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s o fl o n g d i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ew i t hh i g h l i f ta n dm u l t i - f l u c t u a t i o np i p e l i n e a n d a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o n g - d i s t a n c ew a t e rt r a n s m i s s i o n p i p e l i n ew i t hh i g h - l i f t a n d m u l t i f l u c t u a t i o n ，a n a l y s i sw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp u m p i n gs t a t i o na n d p i p e l i n e s ，a n do f f e r c h o i c ep r i n c i p l eo f p r o t e c t i v em e a s u r e s d e s c r i b et h eb a s i ce q u a t i o n so fw a t e rh a m m e rb r i e f l y , a n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fp u m p o nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r eg i v e n ，a sw e l la se x h a u s tv a l v e ，s u r g et a n ka n dp r e s s u r er e l i e f v a l v ew a t e rh a m m e ra n do t h e rc o m m o n l yu s e dp r o t e c t i v em e a s u r e s b a s e d0 1 1t h eb a s i c p r i n c i p l e so fw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n ，c o m b i n e do fv a r i o u st y p e so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， s e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc a l c u l a t i o no fw a t e rh a m m e r , t h e nc o m p i l ec a l c u l a t i o n p r o g r a mo fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nw i t hc + + l a n g u a g e f i n a l l y , t a k ew a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ef r o mw a t e rp l a n tt oo n em i l l i o nc u b i cw a t e r p o t a n di n d u s t r i a lp a r kw a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ea se x a m p l e ，s i m u l a t e 、c a c u l e t ea n da n a l y s i s w i t hc o m p i l e dc a l c u l a t i o np r o g r a mo fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n b a s e do nt h er e s u l to f c a l c u l a t i o n ，g i v et h eo p t i m a li n t e g r a t e dw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nm e a s u r e sa sf o l l o w s ： 1 i n s t a l lt w o s t a g eh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e so u t l e to fw a t e rp u m p ； 2 i na c c o r d a n c ew i t i lt h ee x h a u s tr e q u i r e m e n t su n d e rn o r m a lo p e r a t i o n ，i n s t a l le x h a u s t v a l v e so ft h es t e a d ys p e e da n dc u s h i o n i n ga l o n gt h ep i p e ； 3 a tw a t e rc a t c h m e n t sm a i np i p eo u t l e to fp u m pa n ds p e c i a lp o s i t i o n s ( h i 曲p r e s s u r eo r l o wp r e s s u r e ) ，i n s t a l lo v e r - p r e s s u r er e l i e fv a l v eo rb o x t y p et w o w a ys u r g et o w e r i ti sav a l u a b l er e f e r e n c et op r o t e c tw a t e rh a m m e rf o rs i m i l a re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：w a t e rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ew i t hh i 曲一l i f ta n dm u l t i - f l u c t u a t i o n ；w a t e r h a m m e ro fc a v i t i e sc o l l a p s i n g ；w a t e rh a m m e r p r o t e c t i o n 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：7 弓剃凤。f 1 年! ，月3 。e t 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： 7 弓剃) 西 导师签名： 口甲年r 月7 矿日 口9 年f 月3 。日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三：酉化 1 1 选题背景 随着城市建设的发展和生活水平的日益提高，需水量剧增。同时由于人类的生产、 生活和社会活动等原因对城市附近水源和河流的污染，使得人们不得不从距城市较远的 水源地取水。如近年来天津引滦工程、内蒙古引黄工程、西安黑河引水工程、南水北调 工程等，以及更多为解决城市生产生活用水而兴建的各种长距离输水工程。长距离输水 管的爆管现象非常普遍，几乎7 0 - - , 8 0 的输水管都出现过各种爆管事故，因此可以说， 在这类长距离输水工程中，最常见又突出的问题就是输水管线的安全防护问题。 我国多丘陵地区的长距离高扬程多起伏输水工程日益增多，此类型管线沿程起伏较 大、扬程比较大，一般都达1 0 0 多米。一方面，多年来，由于对输水管道气体的认识和 研究不够深入，特别是在设计、管理等环节重视程度不够，或进排气设备选型不当，管 道因排气不畅而引发气爆型水锤，从而导致爆管的事故时有发生。另一方面，长距离输 水管道负担全系统供水，且压力较高。当发生停泵水锤时，整个泵系统中水压猛降，最 低水头包络线普遍低于输水干管轴线，从而导致多处发生水柱分离，随后极易产生具有 破坏性的断流空腔弥合水锤。 以前的水锤防护以短管道，高扬程为主，几乎不安装排气装置。对于长距离多起伏 输水管路的气液两相流状态，甚至给水排水专业人员都不了解。另外，因为实验投资巨 大，技术复杂，理论难度大，且城市给排水专业很少有从事这方面研究的专家教授。目 前国内在此方向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。故此，选择长距离高扬程输水工程的 水锤防护研究为课题，分析长距离高扬程多起伏输水管线水力瞬变特点，并运用计算机 模拟程序模拟计算比较，确定最优综合水锤防护方案。 1 2 水锤现象综述 在压力管道中，因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压 力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象，也称水力过渡过程。 水锤现象是一种波动，水锤波动全过程包括压力波的产生、传播、反射、干涉及至 消失的全部物理过程。水锤现象的发生，实质上是液体本身的惯性和可压缩性的对立统 一，液体惯性维持原有运动状态，流速突然改变导致液体压缩或膨胀又引起运动状态的 改变。 第一章绪论 水锤现象的类别可概括为： 1 按关阀历时与水锤相的关系，分为直接水锤和间接水锤。 2 按水锤成因的外部条件，可分为启泵水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。 启泵水锤，是在管道首次或检修放空后，管道中含有大量的气体( 或水柱分离产生 蒸汽空腔) 的情况下充水，压水阀门开启过快，同时水泵启动时扬程和转速都在变化， 在泵管道系统中产生剧烈的流速变化的水锤现象； 关阀水锤是关闭阀门过程中发生的水锤现象。一般情况下，按照正常的程序操作， 启泵和关阀不会引起很大的水锤压力变化； 停泵水锤是由于水泵机组突然断电或其他原因而造成开阀突然停车时，泵站及管路 系统中所发生的水锤现象。当发生停泵水锤时，整个泵系统中水压猛降，最低水头包络 线可能低于输水干管轴线，从而导致多处发生水柱分离，随后极易产生具有破坏性的断 流空腔弥合水锤。 3 按水锤水力特性，分为刚性水锤和弹性水锤理论。 刚性水柱理论，忽略水流阻力及水和管材的弹性，水锤的发生仅与流速的改变有关。 弹性水柱理论，考虑水流阻力及水和管材的弹性，计算虽复杂但结果比较符合实际。 4 按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象( 无水柱分离) 和伴有水柱分离 的水锤现象( 断流空腔再弥合水锤) 。 断流空腔再弥合水锤的危害比常见的传统的水锤危害要严重的多，而且产生时间、 地点事先难以确定。目前，关于断流空腔再弥合水锤有两种论点：“拉断说 和“汽化 说 。“拉断说”认为，当水锤波在有压管流中传播时，水体质点作周期性的疏密变化， 使水体中的质点群时而受拉，时而受压，当水体承受不住这种拉力时，水柱就会断裂， 产生一些大空腔或“空管段”；“汽化说 认为，当管路上某处的水压降到当时水温的饱 和蒸汽压以下时，液态水迅速汽化，产生一些大空腔或“空管段【l 】。 1 3 水锤防护研究现状和发展动态 1 3 1 国外研究现状 水力过渡过程的研究可以追溯到1 8 世纪，韦l 白( 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，他建立了压力波的运动方程和连续方程。 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【2 1 。 1 8 0 8 年，拉塞尔( r e s a l ) 发展了连续方程和运动方程，提出t - 阶波动方程【3 】。 1 8 5 8 年，意大利工程师那布勒( m e n a b r e a ) 在他所发表的文章中，研究了由波的传播 2 长安大学硕士学位论文 所引起的压力变化，并导出波速公式，奠定了弹性水击的理论基础【4 1 。 1 8 9 8 年，美国工程师弗里泽尔( f r i z e l l ) 在他发表的论文“管道中流速变化所产生的压 力”中，导出水锤波速公式和水锤压力的公式【5 1 。同年，俄国空气动力学家儒科夫斯基 ( j o u k o w s k i ) 发表的论文“管道中的水锤”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，并且指出：当关闭时间t 2 l a 时( l 表示管长，口表示波速) ， 水锤压力升高达到最大值【6 】。 1 9 0 2 年，意大利工程师阿列维( a l l i e v i ) 发表的论文中，介绍了a l l i e v i 常数和阀门关 闭特性两个无因次参数，并在计算公式中引进了水锤常数。同时还研究了线性启闭规律 条件下的阀门端的水锤压力，并提供了一套图表【7 1 。 从1 9 世纪初至2 0 世纪5 0 年代末，s c h n y d e r 在分析有离心泵的管道水锤压力中， 计入了全水泵特性，第一个在图解分析中计入阻力损失。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。r u u s 第一个提出确定阀门关闭顺序的方 法，使最大压力保持在规定限制范围内。其后，c a b e l k a 、f r a n c 和s t r e e t e r 各自提出了。 这个概念，随后把它推广到复杂管道系统并用计算机来计算。a n g u s 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【8 1 。m a r t i n e l l irc 、n e l s o ndb 等研究了气液 两相流流态【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 1 9 7 2 年日本秋元德三教授【1 3 】出版了水击与压力脉动一书。 1 9 7 8 年怀利eb ( w 姐i ee b ) 和斯特里特vl ( s t r e e t e rvl ) 合著只“耐t r a n s i e n t l 4 1 ， 书中讨论了瞬变流的发生、发展的机理以及如何减少和防止山于瞬变流动造成的不利影 响，并给出了用f o r t r a n 语言计算瞬变流的方法和程序以及控制瞬变流的工程措施。 1 9 7 9 年，加拿大的m h c h a u d h r y 博士发表专著铆厅甜z 批妇“抛t r a n s i e n t s 1 5 1 ，书中 系统地介绍了水力过渡过程的基本原理、数学模型与工程实用计算方法，以及水电站、 核电站。 2 0 世纪9 0 年代，w e i s m a nj 和a n d k a n gsy 共同研究了垂直向上管道的流态过程【16 1 。 s t r e e t e rv l 研究了瞬态空化管流【1 7 1 。a b e r g a n t 和a r s i m p s o n 建立了空化管流的界面 模型1 8 】。v a r d y a e 和b r o w nj 等人研究非稳定流态下管道摩阻，并运用加权函数法计算 了管道瞬态湍流摩阻【1 9 2 0 2 1 1 。 2 0 0 0 年，国际水力研究协会( l 蛆r ) 出版了伴有水柱分离的水力过渡过程 ( h y d r a u l i ct r a n s i e n t sw i t hw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o n ) h 拘综合报告书1 2 2 1 。 近年来，国外对水锤现象的研究，基本集中在原有水锤理论知识的基础上，继续深 第一章绪论 化研究，并将研究结果很好地运用到实践中。 1 3 2 国内研究现状 国内对水锤的研究始于2 0 世纪6 0 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量试验，对后 期水锤计算和防护奠定了基础，特别是对下开式水锤消除器的研究。 1 9 8 1 年，王树人主编的水击理论与水击计算系统地阐述了水击的基本理论和基 本方程式的推导，并给出了简单的电算程序【2 3 】。 随着美国e b w y l i e ，v l s t r e e t e r 的瞬变流和加拿大m h c h a u d h r y 的实用水 力过渡过程的翻译【2 4 2 5 1 ，水锤研究得到国内相关专业人士的重视。 1 9 8 6 年，第五届( 1 9 8 6 年) 学术会议上，王树人和王学芳等公布了关于调压塔及旋启 式止回阀的水锤防护性能的研究成果。奕鸿儒等人在发表的论文中总结了国内常用的两 阶段关闭蝶阀、逆止阀和微阻缓闭止回阀等，对不同阀门在工程中的正确应用起到了指 导作用。 1 9 8 8 年，邓华在他发表的论文“管路中水柱分离 ，研究讨论了管道系统中的水柱 分离现象【2 6 】。刘竹溪、刘光临等人编著的泵站水锤及其防护【2 7 1 将计算机技术引入到 泵站水锤计算中，并对水泵的全特性曲线及单向调压塔进行了深入的研究。 1 9 9 0 年，金锥和杨玉思，发表了论文“两处水柱分离与断流空腔弥合水锤的研究”， 文章在理论结合实验的基础上，进一步研究了水柱分离，并将抽象的断流空腔弥合水锤 发生过程分阶段阐述【2 8 】。 1 9 9 1 年，刘光临和蒋劲等在武汉水利电力大学学报发表了关于泵站水锤阀门调节防 护的论文【2 9 1 。 1 9 9 3 年，于必录、刘超等人发表的论文“泵系统过渡过程分析与计算 ，文中分析 了泵系统水力过渡过程，并进一步给出了计算方法【3 0 1 。 1 9 9 6 年，王学芳等人编著的工业管道中的水锤【3 1 】，涉及了输油、电厂、核电 等多个领域的水力瞬变研究。 1 9 9 6 年，杨玉思和金锥发表的论文“两处断流水锤的判断及升压计算方法 ，文中 介绍了断流的判断方法，以及断流弥合后升压值的计算方法【3 2 】。 1 9 9 7 年，蒋劲和梁柱，在其发表的论文“管路系统气液两相流瞬变流的矢通量分裂 法”中，将矢通量分裂法引入到管路系统的气液两相流瞬变流分析中【3 3 】。 1 9 9 8 年，杨晓东和朱满林等发表了论文“装有进排气阀的长距离压力输水系统水锤 计算研究 ，文中研究了装有进排气阀的长距离压力输水系统水锤计算模型，并结合工 4 长安大学硕士学位论文 程验证了进排气阀的水锤防护效果【3 4 】。杨开林和董兴林在水利学报上发表了论文“水电 站长输水管道气泡动力特性研究”1 3 5 1 。杨玉思成功研制出一款气缸式排气阀，极大改 进了之前浮球式排气阀的缺点。 1 9 9 9 年，李明发表了“高扬程抽水站水锤防护措施一液控缓闭蝶阀选型 【3 6 1 ，文 中探讨了蝶阀选型设计应注意的问题，包括液控蝶阀快、慢关时间确定及角度的确定。 2 0 0 0 年，杨玉思发明了全压高速排气阀，并申请了专利【3 7 】。 2 0 0 2 年，杨玉思和张世昌等发表的“有压供水管道中气囊运动的危害与防护p s i 论文中，分析了有压供水供水管道中的气囊存在形式，运动规律，以及因气囊的运动而 产生的显性危害和隐性危害，并提出防护建议。刘光临、刘志勇和刘梅清等研究了单项 调压塔的水锤防护特性【3 9 , 4 0 】。 2 0 0 3 年，熊水应和关兴旺等发表了“多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护问题及 设计实例 4 1 , 4 2 1 ，文中具体分析管道系统中发生多处水柱分离，以致发生断流弥合水锤 的水锤防护问题，并结合实例工程研究了具体的防护措施。 2 0 0 4 年，刘梅清和孙兰风等在其发表的论文“长管道泵系统中空气阀的水锤防护特 性模拟 中【4 3 1 ，对长距离压力管道系统中加空气阀的水锤防护效果做了模拟计算。同年， 金锥等人编著的停泵水锤及其防护 1 1 第二版出版了，该书建立了水柱分离的计算模 型，并总结了停泵水锤防护的理论。 2 0 0 5 年，曹广学发表了论文“高扬程泵站压力管路安全防护的计算机数值模拟， 文中通过计算机模拟分析了高扬程压力管道的水锤防护 4 4 1 。 近年来随着长距离输水工程的增多，管道的安全运行问题日益引起关注，水锤的理 论研究以及实际工程的防护都取得了一定的发展，甚至个别领域已达世界先进水平。 1 3 3 发展动态 目前，国内外水锤研究的发展动态主要集中在几个方面： 1 水锤现象复杂多变，不同情况下，管道沿线会出现的水锤问题完全不同，现有 的理论对于这种复杂多变的情况还不能满意地预测和解决，进一步的水锤理论研究必不 可少。 2 随着计算机的飞速发展，水锤的计算机数值模拟也成为水锤研究的一个重要领 域。水锤的计算机模拟的进一步研究主要集中在两个方面：一方面是计算的准确度，通 过建立合适的数学模型，并推导更加准确的边界条件，使计算结果与真实值更加接近； 另一方面是对水锤的动态模拟，通过对计算机领域的深入研究，使水锤计算结果以动态 第一章绪论 的形式更加直观、方便表达，从而可以快速判断计算结果与真实现象的符合程度。 3 水锤研究的另一新领域，是对水锤防护设备的研发。近年来，出现了一些很好 的水锤防护设备，如：水锤消除器、缓闭止回阀、多功能水泵控制阀、超压泄压阀、液 控蝶阀等等。深入研究水锤防护原理，并与机械加工结合，发明生产更有效的水锤防护 设备。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对长距离高扬程多起伏输水管道系统水力瞬变的特点，在学习、总结前人研 究成果的基础上，进行了大量的分析、计算和验证，其主要内容如下： 1 根据气、水运动的基本规律和某些共性特点，利用“三线、三点 特征单元法， 结合马丁教授关于平坦管路气液两相流流态的研究理论，分析长距离高扬程多起伏管道 的流态特点。 2 根据长距离高扬程多起伏输水系统的特点，对泵站和管线的水锤防护特点作了 区别分析，提出选择防护措施时的原则。 3 简要阐述水锤基本方程式，并给出水泵不同工况的边界条件，以及计算中常用 的排气阀、调压塔、超压泄压阀、阀门和水池的边界条件和计算机求解公式。 4 在水锤计算基本原理基础上，结合各类边界条件建立了相应的水锤计算数学模 型，应用c + + 语言编制水锤防护计算程序。 5 利用水锤防护计算程序，对水厂至1 万方水池供水管线和榆林市工业园供水管 线两个项目进行水锤防护计算分析，给出最优水锤防护综合措施。 6 长安大学硕士学位论文 第二章长距离高扬程多起伏输水管道的水锤防护特征分析 2 1 输水管道的流态特点 长距离高扬程多起伏输水管道，管线长，流量大，扬程高，沿线起伏点多，甚至可 能存在多处小丘顶点标高比管道末端出口水面标高还高。不同工况下，输水管道中的气 液运动，呈现出多种复杂的形态。为了简化计算，根据气、液运动的基本规律和某些共 性特点，可以将管线的纵剖面分解为下列特征单元，即：上坡段、水平段和下坡段，以 及管线高点、管线低点和坡度变陡点等6 种，简称“三线、三点”【4 5 】。不同工况下， 管线各特征单元的管道水流流态和气水流向关系归纳得表2 1 。 表2 1 管道水流流态和气水流向关系 工况上坡段下坡段水平段高点低点变陡点 充水缓流 急流 复杂流态缓流变急流急流变缓流急流 泄水缓流缓流缓流缓流缓流缓流 正常运行 缓流缓流 缓流缓流 缓流 缓流 ( 不考虑水锤奄菘) 气水同向气水反向气随水动聚气不存气聚气 另外根据美国马 教授关于较平坦的供水管路呈气液两相流的研冗理论，输水管道 呈现六种状态【3 8 , 4 6 , 4 7 ，如图2 1 所示。 e = = = = ；= = = = = = = ：= z 习层状汽 适= = = = = = = = = = = 竺曼_ 履瓠孤 & 三三三三三三三三三三三三三三三三三三蛩波状漉 = = = ；z q 弋= = = 二二= f 弋= 习段塞漉 i i ：一 & 至三兰三二二三量要二二二! 兰兰三二要蛩气团瀛 c 了了i 1 了_ = 丁1 泡沫漉 篷要三三= = 要= = 耄= = 罢要要三至三要蜀环状漉 二一- _ 。_ _ _ ，。_ - - _ j “h - - 一 - ；_ _ _ _ _ - _ 、_ 二- ：_ ：- 】 ，p 吒八孤 一一 图2 1 输水管道中气液两相流的六种流态 综上所述，可归结为： 1 不同工况下，输水管道中气液两相流流态 ( 1 ) 在充水工况下，输水管道水平段气液两相流流态依次为层状流、波状流、段塞 7 第二章长距离高扬程多起伏输水管道的水锤防护特征分析 流。特殊情况( 冲水流速大) 下，也有可能出现泡沫流、气团流和环状流，但这三种情 况都是非稳定的，最终仍将转化为段塞流。 ( 2 ) 在泄水工况下，输水管道气水两相流基本是层状流，可能也有波动流。 ( 3 ) 在正常运行工况下，输水管道气水两相流流态依次是泡沫流、气团流、段塞流， 并最终稳定于段塞流形态。 ( 4 ) 在某些特殊情况( 水锤) 下，也有可能出现泡沫流、气团流和环状流等几种复 杂流态交错出现。 2 气囊聚集部位 ( 1 ) 上坡段 气体在水中受到浮力，一般都是上行的，气水同向。气体很容易在坡顶( 最高点) 发生聚集，产生气囊，有时甚至堵塞管道中断水流。 ( 2 ) 下坡段 水流向下，而气泡向上运动，当浮力不足以克服水流推力时，气体便聚集在管壁处， 形成气囊。 ( 3 ) 水平段 水平段气液两相流态复杂多变，气体运动到管顶后受到管壁摩擦力会附着在管壁， 大量气体附着就会形成气囊。 ( 4 ) 变陡点 由于坡度变化使水流出现波动，出现波状流，进而转变为段塞流，出现气囊。 2 2 输水管道的水锤防护特点 2 2 1 泵站防护 高扬程输水管道泵站防护主要包括：启泵水锤防护和停泵水锤防护。 启动水锤，在空管情况下启动水泵时，水泵的静扬程也在时刻变化着，尤其当管中 空气不能及时排出而被压缩的情况下，会加剧压力水头的变化，有时甚至是机组工作在 不稳定的区域，产生振动和噪音2 7 】；停泵水锤是指水泵机组因突然断电或其他原因造成 开阀突然停车时，在水泵寄管路系统中，因流速突然变化而引起一系列急骤的压力交替 升降的水力冲击现象【1 】。一般情况下，只要确保管道中气体的顺利排出，启泵水锤问题 就可以有效的避免，所以泵站水锤防护的重点是停泵水锤。 停泵水锤的防护措施主要有：液控蝶阀、多功能水泵控制阀和水泵加装飞轮力矩。 阀门操作简单、成本小，所以选择停泵水锤防护措施时，首先考虑阀门控制。而加装飞 长安大学硕士学位论文 轮力矩使输水能耗变大，增加了成本，一般在阀门控制无效时再考虑加装飞轮力矩。 2 2 2 管线防护 长距离高扬程多起伏输水管道管线防护可概括为：升压防护和降压防护。 突然停泵或关阀后，压力管道中由于流速的剧烈变化，出现一系列压力急剧升降的 波动过程。压力变化对管道破坏可以分为三种情况：升压破坏，降压破坏和先降压再升 压破坏。 1 在正压波传播过程中，当升压太大，超过管道承受压力时，管道可能发生爆管。 2 在负压波传播过程中，当降压太大，以致管道内外压力差急剧增大，超过管道 承受压力时，管道可能发生“瘪管”。 3 在在负压波传播过程中，当管道中某点( 尤其是凸起点) 压力降至当时水温的 饱和蒸汽压以下时，管道中的水迅速汽化并产生大空腔或“空管段”，水柱的连续性被 破坏，发生所谓的“水柱分离现象，而当正压波反射回该处后，压力升高，空腔内的水 蒸汽迅速凝结，分离的水柱猛烈碰撞，压力骤然升高，即断流弥合水锤，从而导致管道一： 被破坏。断流弥合水锤发生时间、发生点难于事先断定，一旦发生，管线首端用以防止 传统停泵水锤危害的技术措施和设备( 如各种停泵水锤消除器、各种形式的缓闭止回阀 以及阀门控制技术等) 均收效甚微，甚至无效。所以在进行停泵水锤分析及危害预测时， 必须首先判别能否发生水柱分离现象【1 1 ，事先采取必要的措施。 针对不同的压力破坏，采取的水锤防护主要措施断有： 常用的水锤防护措施按水锤防护原理大致可分为以下四种类型【l 】： 1 泄水降压，避免压力升高。这种类型的有超压泄压阀、设置旁通管以及取消普 通旋启式止回阀等。 2 注水增压，避免压力降低。这种类型的设备有单向调压塔( 水池) 和双向调压 塔等。 3 排气、注水或注空气( 缓冲) 稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防止 了真空和断流空腔弥合水锤过高的升压。这种类型的设备有普通排气阀、真空破坏阀、 恒速缓冲排气阀、单向调压塔( 水池) 以及双向调压塔等。 2 3 水锤防护措施的选择 2 3 1 水锤防护设备简述 1 缓闭止回阀 9 第二章长距离高扬程多起伏输水管道的水锤防护特征分析 ( 1 ) 工作原理 多功能水泵控制阀 图2 2 多功能水泵控制阀结构示意图 多功能水泵控制阀是通过一个双室膜片控制器，利用液压原理来控制主阀板和缓闭 阀板的缓开和缓闭动作。泵启动前，阀门出口端压力作用在主阀板上，主阀板处于关闭 位置，同时膜片控制器的上腔连通压力水，下腔则与阀门进口端的低压相通；水泵启动 后，阀门进口压力逐渐升高，同时压力水通过阀门进口端的连接管缓慢进入膜片控制器 下腔，实现主阀板的缓慢开启，开启速度可通过控制阀进行调节；水泵停机时，阀门进 口的压力降低，当接近零流量时，主阀板在自身重力作用下迅速关闭。因阀门进口端压 力降低，阀门出口端的压力水通过连接管进入膜片控制器上腔，下腔水通过阀门进口端 的连接管压回至阀门进口端，缓闭阀板缓慢关闭，慢关时间可通过控制阀进行调节。主 阀板的速闭和缓闭阀板的缓闭符合给水系统的两阶段关闭规律，因此能有效地削减水锤 压力峰值。 两阶段关闭液控缓闭蝶阀 图2 3 两阶段关闭液控缓闭蝶阀结构示意图 l o * i 大学额i 学位论i 水泵启动时，先快后慢地自行开启：事故突然停泵时，阀门能按预先调定好的程序， 先较快地关闭至某一角度( 快关阶段) ，关闭行程的大部分，虽然关阀过程产生了管道 升压，但由于蝶阀在大开度范围内，其开度系数的变化率很小，升压并不明显。然后以 较慢的速度关闭剩余的行程( 慢关阶段) ，由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关 过程导致流速变化的增量减小，可把出水管道的压力升高限制在允许的范围之内。从而 有效消除管路破坏性水锤，保证管线系统安全运行。 r 2 ) 缓闭止回阀选用的技术要点 较小管径( 一般d n 4 0 0 ) 使用水泵控制阀较好；中等管径( 4 0 0 1 0 0 0 ) 一般说来液控蝶阀技术优势更大。 水泵总扬程大部分由水头损失构成( 即水泵静扬程较小) 的情况，使用普通多 功能水泵控制阀易出现电机过载和发生管道断流水锤问题。 在高扬程、太流量、管路水头损失小的泵系统停泵水锤过程中，两阶段关闭液 控蝶阀，对于防止过高的水锤升压及控制机组倒转等效果很好。 2 空气阀 ( 1 ) 工作原理 真空破坏阀 图2 4 真空破坏阀外形图 真空破坏阀实质上是一种只进气不排气的阀门。当管线安装真空破坏阀处的压强低 于当地大气压时，真空破坏阀打开，把空气吸八管道中防止真空的进步增高，当回 冲水流及升压波返回时，空气腔体积开始缩小，阀门自行关闭，腔中的空气起了空气罐 的作用，从而对断流弥合水锤的升压起到缓冲和降低的作用。 浮球式排气阀 浮球式排气阀为目前国内r h 场的主力产品，虽然工作原理相似，但性能差异也较大。 浮球式排气阀又口r 分为：职口排气阀、组合式排气阀、杠杆式排气阀，复合式排气阀以 第二章长距离高扬程多起伏输水管道的水锤防护特征分析 及动力复合式排气阀。 a 双口排气阀 图2 5 双口排气阀结构示意图 双口排气阀分为微量和高速排气阀两部分，当阀体内无水时，浮球落入护筒，排气 口打开排气；当阀体有水时，浮球浮起堵住排气口，封住水流。 b 组合式排气阀 图2 6 组合式排气阀结构示意图 组合式排气阀的工作原理与双口排气阀相同，仅是大排气腔加大，小排气腔减小成 附阀形式。 c 杠杆式排气阀 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 7 杠杆式排气阀结构图 杠杆式排气阀是对普通浮球式排气阀的改良，以浮球和杠杆来做为控制机构，在杠 杆上另加装相应的执行机构装置来控制排气口开关，其控制机构和执行机构用杠杆相连 接。 d 复合式排气阀 图2 8 复合式排气阀结构图 复合式双口排气阀，大排气口加装了半球形挡板，将浮球执行大排气口开关的任务 交给挡板来做。在挡板中间开一小孔，用作微孔排气，浮球作为控制微孔的开关。当水 流来时，浮球顶起挡板关死大排气口，同时浮球堵死微孔。当下一段气来的时候，气体 压力主要作用在挡板上，而微孔口径较小，气缸内气压对浮球产生的压力也较小，浮球 落下来，打开微孔排气。 e 动力复合式排气阀 第= 章长距离商扬程多起伏输水管道的水锤防护特征n 析 图2 1 0 气缸式捧气四结构图 气缸式捧气阀是国内近几年的最新产品。当阀体内存气时，浮筒下降，带动小盖板 动作上升堵住阀帽上的通气孔，同时打开小阀座，使阀体内有压气体进入气缸，因气缸 内起气动膜片组件面积运大于太排气1 3 盖板面积，故大排气1 3 开启排气，管道存气即可 高速排出；当气体排尽后，浮筒上升，控制膜片的导管与大气连通，盖板受阀内压力作 用复位，封住排气口。当下一段气团到达排气阀的时候，浮筒由于重力的作用下沉，使 阀体与导管连通，气体由导管进入气压缸，这时气压缸的压力与托住排气盖板的压力相 等，排气盖板在重力作用下打开排气。当管道出现负压时，进气口盖板打开进气，以防 产生蒸汽型断流空腔。 ( 2 ) 排气阀选用技术要点 长安大学硕士学位论文 根据中国工程建设标准化协会出版的城镇供水长距离输水管( 渠) 道工程技术规 程t 4 8 1 中第5 3 4 条规定，选用的排气阀应符合下列规定： 空气阀的口径，当仅需要排气功能时宜取输水管直径的1 1 2 - 1 8 ，当进排气功 能均需要时，宜取输水管直径的l 8 1 5 ，或经计算确定。排气阀有效排气口径不得小 于其公称通径的7 0 ； 空气阀必须具有在输水管道内多段水柱气柱相间或存在多个不连续气囊情况 下，连续快速( 或大量) 排出管道内任何一段气体的功能，即在有压条件下，空气阀内 充满气体时，大小排气口均开启排气，充满水时均关闭而不漏水，出现负压时可向输水 管道注气； 安装前宜进行性能检测：在不小于o 1 m p a 的恒压条件下，交替向空气阀阀体内 充水充气，排气阀大小排气口均做到充气开启高速排气，充水关闭不漏水，反复动作3 次以上合格为止； 当管道压力较大，或工况复杂对水锤防护要求较高时，应采用具有缓冲功能的 排气阀或大小排气阀组合使用。 根据国外相关技术资料和国内近年来的工程实践经验，在以下位置需要安装空气阀： 1 局部最高点管线凸起点大于l m 。 2 下降坡度变大点、变小点。 3 长距离无折点上升管段，每4 0 0 - - 8 0 0 m 安装一个空气阀。 4 长距离无折点下降管段，每4 0 0 - - 8 0 0 m 安装一个空气阀。 5 长距离水平管线，每4 0 0 , - 一8 0 0 m 安装一个空气阀。 6 水泵出口处。 3 超压泄压阀 ( 1 ) 工作原理 先导式超压泄压阀 第二章长距离高扬程多起伏输水管道的水锤防护特征分析 l l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 阀盖2 弹簧3 膜片压板4 一膜片5 阀体6 阀盖7 - 0 ”型圈8 - 0 ”型圈压板 9 阀座1 0 阀杆1 1 附阀21 2 调压螺栓1 3 针阀 1 4 附阀11 5 截止阀 图2 1 1先导式超压泄压阀结构示意图 弹簧力大于介质作用于阀芯的正常压力( 事先选定的压力值) ，阀芯处于关闭状态， 当罐内介质压力超过允许压力时，弹簧受到压缩，使阀芯离开阀座，阀门自动开启，介 质从中泄出、减压；当压力回到正常值时，弹簧压力又将阀芯推向阀座，阀门自动关闭。 直动式超压泄压阀 图2 1 2 直动式超压泄压阀结构示意图 直动式超压泄压阀的主体为一气压缸，其上部充满了有压气体，中部为气动膜片及 活塞杆等，下部为进水管盖板，泄压口等。正常运行时，该阀上部有压气体的压力约等 于或略高于管道最大设计使用压力；当管道出现少量压力波动时，有压气体被压缩起到 缓冲稳压作用，吸纳压力波并防止管道出现负