管道水锤防治设计小结

管道水锤防治设计水锤的概述水锤是一种出现于水或其他液体在输送过程中，由流体速度发生剧变产生的压力而造成的水力撞击现象，因此也被称作为水击。从实质上来讲，水锤现象其实就是两种不同运动状态在形成对立统一时，“水”这一液体充分发挥了其可压缩性及惯性两大显著特征，使水力在运动状态中迅速达到最大，从而产生破坏作用。水锤的危害水锤发生时虽然持续时间通常较短，但其造成的危害却无法估计，特别是在水锤发生伴有水柱分离时，带来的破坏力更加严重。若在输水管路中出现水锤现象，将会使该管道内压强迅速升高，从而带来以下危害：①输水管道被高压所影响开始出现强烈，管道接口处由于无法承受高压而断开，从而使阀门遭到破坏。在此情况下，管道接口若是未断开，输水管最终将出现爆管事故。②水锤将会使正常的水泵出现反转，从而使泵房内的设备及管道遭到破坏，最终导致管道内水源淹没泵房。③输水管道在水流与气压的双重逼迫下，有可能会出现管道爆炸现象。此现象一旦发生，轻者影响人们生产及生活用户，重则造成操作人员的伤亡。由此看出，水锤带来的危害比想像中更为严重，当务之急还需加强对水锤防护对策的研究。水锤的防治一般来说，控制关开阀水锤和启动水锤相对容易，对泵站的危害性较小，采用传统经验布置以快速排气为主要功能的普通空气阀就是针对此类水锤的控制。而停泵水锤是突发性的，防护难度大，采用普通空气阀无法控制停泵水锤，若防护措施不当将对泵站及管线的危害性大。所以停泵水锤的防护是水锤防治的重点。本工程中输水管道管径大、重要性高，可以预见，如果该系统发生突然停泵，必然产生对管道危害极大的断流弥合水锤。因此，水锤的计算及防治设计是本工程的一大重点。参考《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193：2005）常用的水锤防护措施，拟采用如下水锤防护措施：（1）加压泵站内设置水锤消除器避免水锤问题对泵房产生损害。（2）采用复合式高速进排气阀消除水锤不利影响；鉴于空气阀（吸气排气阀）在保证长距离输水管道安全运行中起到的重要作用，在管线每个较明显的局部隆起点均设置有空气阀。另外，保证在较长的平缓管段每隔700米左右也设置空气阀。空气阀应采用同时具有高速排气、微量排气、高速吸气三种功能的复合式排气阀。另外要保证空气阀的质量，建议采用进口或合资品牌的可靠产品，以保证管道上安装的空气阀在管道充水过程中，无论管内水流处于何种流态，都能够打开大小排气孔高速排气；而在管线正常运行过程中，大孔关闭，只有小孔在适当的时候自动打开、微量排气（只排气不漏水）；所有空气阀在管线处于负压状态时（如泄水检修或由于水锤产生负压时）能够向管内注入空气消除管道内的负压，消除水锤影响。（3）沿线设置根据需要设置泄压阀，当管道压力超过设定值时，自动泄水，保护管道不受水锤破坏。（4）水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护之目的。水锤消除器的内部有一密闭的容气腔，下端为一活塞，当冲击波传入水锤消除器时，水击波作用于活塞上，活塞将往容气腔方向运动。活塞运动的行程与容气腔内的气体压力、水击波大小有关，活塞在一定压力的气体和不规则水击双重作用下，做上下运动，形成一个动态的平衡，这样就有效地消除了不规则的水击波震荡。本工程水锤问题解决对策（1）构建水量控制模型，加强对水量的控制要减少水锤的危害，首先是要加强对输水管道的水流量控制，进而通过对流量的控制，减小水柱压力。在断流弥合水锤计算模型方面，目前较为常用的计算模型有3种：断流弥合水锤的计算模型。这种计算模型在水力过渡的过程中，并不将水柱的中断问题纳入模型计算范围。点断流弥合水锤计算模型。这种计算模型在实际应用过程中，需预先指定出断流弥合所出现的位置。③断流弥合水锤计算模型。该计算模型在对断流弥合水锤的断流边界进行处理时，不会受到水锤发生位置的限制。由此看出，在以上3种断流弥合水锤计算模型中，无断流弥合水锤的计算模型与定点断流弥合水锤计算模型都仅适合应用于无断流的情况。而当出现多处断流水锤时，断流弥合水锤计算模型更具有效的实用性。因此，本工程选用断流弥合水锤计算模型对断流弥合水锤问题进行计算。首先根据弹性水锤理论，以2种方式进行表达：（1）运动方程为：（2）连续方程为：式中，Ｈ为管道水头；Ｖ为管中的流速；ｆ为管道摩阻系数；ａ为水锤波的传播速度；α为管路与水平面间夹角；Ｄ、ｇ分别管径、重力加速度；ｘ为水锤传播距离；ｔ为水锤波传播时间。其次采用特征线法求解水锤问题，具体的解决步骤分为3点：1、模型计算过程中无法进行直接求解的流动暂态偏微分方程式转换为特征线方程；2、对全微分方程组积分的形式计算有限差分方程；3、以有限差分方程与管理系统的边界条件进行运算。根据以上3个步骤，得出管内流动暂态的特征线方程：（2）安装防护设备在长距离压力输水管道适当位置安装恒速缓冲排气阀，作为断流弥合水锤现象的防护设备。在具体的安装过程中，应充分吸取相关工程实际安装案例的经验。首先，在对较为平坦的长距离压力输水管道进行安装时，应将恒速缓冲排气阀之间的间距设定为0.5～1.0km。在对陡坡中的管道进行安装时，排气阀仅能设置在坡顶位置，并且需设置带有缓闭功能的排气阀。在实际设置过程中，若缺乏带缓闭装置的排气阀时，采用安装2台普通排气法的方式对此进行弥补。其次，排气阀的口径应设置为长距离压力主输水管道直径的1/8～1/5。最后，应选用性能相对较好的排气阀，使其在水柱相间的环境下，还能保持持续排气状态。由于排气阀这一产品的特殊性，当前市面上达到合格条件的排气阀还相对较少，稍不注意就会购买到性能较差的非合格产品，从而给整个长距离压力输水管道工程造成难以预计的后果。对此，本工程建议从3方面进行排气阀的选择：选择具备丰富排气阀安装经验的厂家，参照专业人士给出的意见，结合实际情况进行排气阀选择；有条件的情况下，聘请相关专家加入到防护项目中，对排气阀的安装及选择环节进行专题论证；对排气阀进行安装前进行性能测试，根据测试结果觉得是否选用。（3）排气阀设计要求根据当前市面上较为常用的排气阀构造来看，若是微量排气孔直径在3mm以上，该排气阀的排气性能将无法得到保障。同时，在此情况下，管道内的气囊相对较小，分布于管道顶部的各个部位中，需在管内聚集成为一个较大气囊时才能进行运动，而大气囊经过排气阀时时间极短，从而使该排气阀无法对大气囊产生太大的排气作用。由此看出，在面对大管径的管道排气时，微量排气阀将无法发挥作用。排气阀若在某些管道流态下无法做到迅速排气，不仅无法降低管内气压，反而还会使该管道存气增多，从而导致输水管道无法达到预计输送流量，情形严重还会造成管道爆破事故，威胁操作人员生命安全。因此，在对排气阀进行设计时，排气工作不受任何流态限制是该设备应具备的基本功能。（4）设置缓冲开关在长距离压力输水管道水锤防护的相关设计中，加入缓冲开关这