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长距离高扬程输水管道过渡过程分析与防护

文档作者：张立春文档来源：河南省水利勘测设计研究有限公司		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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上一篇：长距离输水管道运营安全防护措施分析

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第44卷第16期
2 0 1 3 年8 月
人 民 长 江
Yangtze River
V01．44．No．16
Aug．， 2013
文章编号：1001—4179(2013)16—0018—04
长距离高扬程输水管道过渡过程分析与防护
张立春
(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016)
摘要：在长距离、高扬程供水管路中。由于阀门的启闭或水泵机组动力突然失灵停机而产生的水锤现象，时管
道系统具有很大的破坏作用。以河南省南水北调供水配套工程16号口门神壁镇供水线路为例，通过对输水
管线可能产生的水锤过渡过程进行数学计算，分析了沿线水锤压力的变化规律，弄清了各种工况下最大水锤
压力和管道中出现的负压状况，从而为选择经济适用的水锤防护措施方案和优化管线设计提供了理论依据，
确保了输水管线的供水安全。
关键词：水泵停机；输水线路；水锤压力；防护措施
中图法分类号：TV67 文献标志码：A
在泵站加压输水管路系统中，管线中阀门的启闭
或水泵机组动力突然失灵停机，都会造成管道流速突
然变化产生水锤。水锤产生的瞬时压强可达管道中正
常工作压强的几十倍甚至于数百倍，这种大幅度压强
波动可导致管道系统强烈振动并产生巨大噪声，损坏
阀门或接头，对管道系统具有很大的破坏作用。结合
对南水北调河南省境内供水配套工程16号口门神星
供水系统水锤分析，进而采取合理且经济适用的防护
措施，这是优化工程设计和确保工程安全运行的关键。
1 工程概况
16号口门神叵线是河南省南水北调供水配套工
程向禹州市神重镇供水的一条重要输水线路，线路全
长16．26 km，管道设计流量0．5 m ／s，管材为钢管和
球墨铸铁管，直径为DN800。沿途穿越南水北调总干
渠、白沙南干渠等17条河(渠、沟)道，穿越$236省道
2次、地方铁路4次。前池设计水位126．261 m，末端
神重镇水厂设计水位238 m。采用一级泵站加压输
水，水泵设计扬程151．80 m，水泵机组3台(两用一
备)，额定转速1 450 r／min。沿线布置检修阀、空气
阀、排空阀等，其中空气阀67个，安全泄压阀2套，25
m 的空气罐2个。
2 水锤防护设备的选择
神重供水线路地处丘陵地区，地形高差近110 m，
起伏较大，前段线路呈龟背状，最大背高约50 m，后段
线路沟壑众多呈锯齿起伏状，具有输水距离长、提水扬
程高、多起伏、穿越建筑物多等特点，针对此种复杂线
路，采用单一的水锤防护设备很难起到较好的防护作
用，必须采用多种防护设备综合防护才能达到有效的
防护效果。目前水锤防护设备很多，主要有高位出水
池、空气阀、泄压阀、调压塔和空气罐等设备。
受地形条件限制，该工程不具备设高位水池和调
压塔的地形条件。根据沿线地形情况，在管线的上坡
段、下坡段和凸顶点、坡度变陡点以及水平管段1 000
m左右范围内布置的复合式空气阀，是保护管线安全
运行的基本防护设备。复合式空气阀体积较小，具有
高低压下大量排气、微量排气和快速吸气的特点，不仅
满足管线系统在启动和正常运行过程中的进排气要
求，同时还具备破坏管道中的真空，预防含气型断流弥
合水锤的功效。设置空气罐是避免供水管道负压、较
大水锤压力及水柱分离的有效措施，主要优势是在橡
胶气囊里充入气体，使水、气分开，能延长补气周期，且
运行可靠，管理维修方便，可根据实际情况分析使用。
收稿日期：2013—06—21
作者简介：张立春，女，高级工程师，主要从事河南省南水北调供水配套工程规划与设计工作。E—mail：liajiaozi@126．com
第16期 张立春：长距离高扬程输水管道过渡过程分析与防护 19
3 输水系统水力过渡过程数学模型 卜
3．1 计算原则和假定
① 水击压力、调压室涌浪以及机组转速升高应联
合计算；② 对于复杂管路系统不应简化；③ 水流按一
维流动考虑；④ 管壁和水流均视作弹性体；⑤ 管道内
充满水(有压流)，不考虑含气的影响。
3．2 水锤基本方程
以微分方程表示的运动方程和连续方程，反映了
在水力过渡过程中不稳定水流的流速和水头的变化规
律，水锤基本方程表达式如下：
运动方 OH
．
+ + + = 0
Ox 1_1
(1)
d‘
连续方程： + +一az
_
OV
： 0 (2)
Ot Ox g d
以上各式中， 为测压管水头，m；，、D分别为管路的
摩阻系数和管道直径，m；V为管内流体的流速，m／s；
、t分别为水锤波沿管轴线传播的距离和时间；a为水
锤波速，m／s。
根据牛顿第二定律和质量守恒定律导出的水锤基
本方程，均为偏微分方程形式，全面反映了有压管道中
非恒定流动规律，是解决水锤计算问题的基本理论公
式。
3．3 特征线方程
根据特征线计算法，综合公式(1)、(2)，可以得到
如下两个常微分方程组：
+
+ 詈 + 1 VI=0 (3)
乙 ：
_ 0： a (l 4q )J
一
一詈 + f f=0 (5)
L ：
■ ：一 a (l 6)J
将表达式在独立坐标 ，t平面上展开，可得到 —
t平面上的特征线图，如图1所示。
图1 —t平面上的特征线
图中A、曰两点代表地点 和时刻t所给定的点，它
们的Ⅳ和 值是已知的。通过A点的c 直线相当于式
(4)，沿着C 直线可以应用式(3)；通过 点的C一直
线相当于式(6)，沿着c一直线可以应用式(5)。联立式
(3)和式(5)，可以解出AP和曰P直线的交点P的参数
和 。其中，直线AP和 p称为特征线，而式(4)和
式(6)称为相容性方程。
3．4 边界条件
对于该工程来说，其实际边界状况比较复杂，故在
处理各种边界条件时要进行适当简化，但应以基本上
不影响原有的物理状态为原则。
工程实际边界条件如下：
(1)假定在过渡过程计算中，前池水位保持不变。
(2)泵站串联管串联点处的局部水头损失和流速
水头按压力和流量连续条件考虑。
(3)对空气阀作如下假定：① 空气等熵地流进流
出阀门；② 管内的空气质量遵守等温规律；③ 进到管
子里的空气留在可排出的阀门附近；④ 液体表面的高
度基本上保持不变，而空气的体积相对管段里的液体
体积可忽略不计。
流过阀门的空气质量流量取决于管外大气的绝对
压力P。、绝对温度 以及管内的绝对温度 和压力P
， 考虑下列4种情况：
以亚声速流入空气：
CinAin√7PoPo 毒)l’ 毒)I’ H]
(0．53P0<1．89P0)> ·89P。) (1O)
(4)按一般空气罐的数学模型，不考虑罐内水体
和罐壁的弹性。假设在任何瞬间气囊中各处的压力都
相等，气体惯性、摩擦忽略不计，并假设气体服从可逆
20 人 民 长 江
的多变关系，列出空气罐边界方程如下：
pVk=C (11)
Hp： ( 一t一-i)+H + (12)
2 gin。
= 一 )
Q =Q +Q ： (14)
以上各式中，P为气体的绝对压力；V为气囊体积；C
为与气体初始状态有关的常数；k为气体多变指数，计
算中取k=1．2；t／为气囊式空气罐与管路连接节点
处的测压管水头；H为当地大气压强；H 为罐内水位；
为节流孔口阻力系数；∞ 为节流孔口截面积；Q 为
通过节流孑L口的流量；Q 为气囊式空气罐上游侧管
道节点的流量，Q以为下游侧管道节点的流量。
(5)水泵及出口阀门边界方程(略)。
4 计算目的与内容
4．1 计算目的
结合16号口门神重线供水线路的实际情况，对泵
站加压供水管道在各种工况下管线可能产生的水锤压
力进行计算，分析沿供水线路水锤压力的变化规律，分
析沿线各断面上的压力变化，确定最大水锤压力及沿
线断面最大压力、最小压力发生位置。通过最小和最
大压力水头包络线，采取相应防护措施，按规范要求提
出合理的阀门关闭规律和水锤防护措施方案，使整个
管道最大水锤压力不超过1．3—1．5倍最大工作压力，
管线最小压力小于一5 m，在事故停泵后水泵反转速度
不大于其额定转速的1．2倍。
4．2 计算内容
计算内容包括：① 对泵供水管道系统供水稳态工
况的水头线进行计算；② 对泵的正常启闭过程进行优
化；③ 对泵供水管道系统进行水力过渡过程分析；④
分析事故停泵时管线沿程压力分布情况；⑤ 通过优化
空气阀布置，得出阀门关闭规律，使之满足工程管理要
求；⑥ 受地形限制，对添加空气罐防护措施进行模拟
计算，并对各方案加以比较。
5 工程实例
5．1 正常工况计算 ·
(1)稳态工况计算。前池水位为126．261 m，出
水池管道中心高程为228．44 m，出水池水位为238 m，
稳态计算流量结果为0．5 m ／s，干管流速为1．06
m／s，其中管道粗糙系数设定为100(海森一威廉参
数)，通过上节构建的数学模型计算，水头包络线如图
2所示。
图2 稳态工况水头包络线
(2)正常关阀停泵计算。对于泵站来说，多数是
正常启闭机组，该工况是最常用工况，因此需要对其进
行模拟计算，以便在有效控制管道中压力升高和降低
的同时，得到最佳的关阀规律。为了破坏管道中的真
空，满足管线在充水和正常运行过程中的进排气要求，
在管线的上坡段、下坡段和凸顶点、坡度变陡点等位置
布置了60个复合式空气阀(见图3)。经过反复优化
阀门关闭规律计算可知，阀门按12 S一80％ ～120 S一
100％ 关闭时，即第一阶段用12 S将阀门从全开关闭
到整个管道开度的80％ ，然后到120 S全部关闭，管道
中不会出现负压，压力也不会升高。泵下游阀门前压
力有所升高，这是由于水泵在运行时，阀门关闭使流量
减小，压力必将增大，其最大升高为193．76 m，为正常
压力的1．28倍，正常关阀停泵管线水头包络线见图
4
图3 空气阀布置示意
图4 正常关阀停泵管线水头包络线
第16期 张立春：长距离高扬程输水管道过渡过程分析与防护 21
5．2 事故停泵只设空气阀计算
在泵压输水系统中，由于事故停泵工况对水泵机
组和管道危害最大，整个管道系统的水锤防护措施应
以该工况作为控制工况，在突发断电事故停泵过程中，
通过对以下3种工况进行分析计算，以确定水锤防护
方案。① 两台泵同时事故停泵，阀门拒动作；② 两台
泵同时事故停泵，阀门按关闭规律关阀；③ 一台事故
停泵、一台正常运行。计算结果见表1。
表1 16号口门神重线事故停泵工况水力过渡计算结果
计算工况 防护措施 规律 压力
／m 压力倍数压力／m (r·min一 )
5．3 事故停泵泵后设空气罐计算
通过对线路只设空气阀计算结果分析可知，优化
泵后阀门关闭规律不能满足所有工况的运行要求，虽
然在局部负压区域增设空气阀后，管道的最大负压由
一8．6 m降低为一4．8 m，但仍接近于极限值。由于管
道中负压较难处理，空气阀起到的效果不仅有限，还会
造成空气阀布置太密，不利于管道铺设。为了保证管
道的运行安全，在泵后加设空气罐，试图通过空气罐来
消除管道中负压和压力升高，减少空气阀的布置。经
计算在空气阀减少11个后，泵阀门采用普通逆止阀，
关闭时间为快速关闭，空气罐体积分别为10，15，20，
25，30，40 m 且预设压力不同时，正压和负压控制结
果是不同的，部分计算结果见表2。
表2 事故停泵泵后设空气罐水力过渡过程计算
空气罐 最大压力／ 正常压力最小压力／水泵最大倒转速／
罐体积／功 有效体积／m 预设压力／m Ill 倍数 m (r·min I1)
根据空气罐的不同体积和不同预设压力组合方案
计算结果可知，增加空气罐对控制管道正压和负压效
果显著，随着空气罐体积的增加，管道中的正压和负压
控制效果越好，但是工程成本也会越高，合理地选择空
气罐体积是工程中选用水锤防护措施的关键。
通过综合分析比较，该工程选用2台预设压力为
40 m的25 m 的空气罐和67个空气阀后，按15 s一
80％ ～180 S一100％ 关阀规律关闭，管道最大压为
158。30 m，是正常压力的1．04倍，最小压力为0．4 m，
最大倒转速度为0．1 r／min，既满足规范要求，同时又
留有一定的安全富裕度。
6 结语
通过水力过渡计算分析，南水北调供水配套工程
16号口门神重供水线路系统采用空气阀和空气罐设
备相结合的水锤防护措施，可有效防止管道的管路负
压和正压过高，确保输水线路安全运行。为了复核水
力过渡计算结果的正确性，天津大学水力学所采用数
值模拟和物理模型试验相结合的方法，对该水锤防护
措施方案进行了验证，结论为该方案可以保证管线安
全，同时建议在管道两处高程较低位置各增设一个超
压泄压阀，以提高管线对水锤正压的防护能力。根据
建议，在管线内压高、具有排水条件的桩号0+220和
8+580处增设了2套安全泄压阀，以备在阀门关闭或
事故过程中，及时将由流速变化引起的波速传递增压
的水流排泄出去，当管道压力恢复时导阀关闭，主阀活
塞在出水流速控制下缓慢关闭，从而有效地减少或防
止水锤的发生。
参考文献：
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电能源科学，2010，(2)：82—84．
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(编辑：胡旭东)
(下转第28页)
28 人 民 长 江 2013芷
省水利勘测设计研究有限公司，2011
Anti——seepage research of an irrigation reservoir diverted from
Yellow River in Puyang City of Henan Province
(编辑：胡旭东)
ZHANG Yibing，ZHANG Guihua
(Henan Water&amp;amp;Power Engineering Consulting Co．，Ltd．，4500 1 6，China)
Abstract： Seepage problem existed for the irrigation reservoirs diverted water from Yellow River in Puyang City of Henan Prov—
ince due to bottom stratum of clayey sand multi—layers．Based on the geological investigation of the reservoir and in the combina—
tion of the practical project，we put forward joint seepage prevention seheme of horizontal and vertical anti—seepage eventually
after comparing it with other schemes．The proposed scheme can realize the requirement of”moderate seepage prevention” and
meet the requirements of anti—seepage and eco—environment protection，ensuring relative stability and balance of groundwater
in the project area as well as reducing the project investment．
Key words： seepage in reservoir area；geological condition；joint anti—seepage；plastic concrete cut—off wall；drainage from
Yellow River
I上接第8页)
Design of high——lift pump station for long——distance water conveyance at a
diversion gate of Middle Route Project of South—to—North Diversion
JI Gang，ZHU Shidong，LIU Ying
(Henan Water&amp;amp;Power Engineering Consulting Co．，Ltd，，450016，China)
Abstract： The water conveyance pipe to Yuzhou City of Henan Province，with a total length of 1 6．27 km and design lift of
142．80m．starts at No．16 diversion gate of Middle Route Project of South—to—North Water Diversion．The water supply scheme
of one phase pumping station is eventually adopted after compared with two phases pumping stations． According to the total lift
and water—lifting flow，double—suction centrifugal pump with unit capacity of 630kW and voltage of lOkV was selected．Three
water pumps(one for spare)are set in the main planthouse with single—row layout．The paper introduces the design process of
the pump station，which can be referred by designer of high—lift pump station for long—distance water conveyance．
Key words： long—distance water conveyance；transition process；high—lift pumping station；Middle Route Project of South—
t0一Nonh Djversion
(上接第21页)
Analysis on hydraulic transition process of water conveyance pipeline
and water ham m er protection
ZHANG Lichun
(Henan Water&amp;amp;Power Consulting Engineering Co．，Ltd，Zhengzhou 450016，China)
Abstract： For a diversion pipeline．water hammer due to opening—closing of valves or pump shutdown arising from power off
would strongly damage the pipeline system． With long distance and high lift，Shenhou branch from No．1 6 outlet of South—to—
North Water Diversion Project，is an important water conveyance line supplying water to Shenhou Town，Yuzhou City of Henan
Province．W e accurately calculated the hydraulic transition process，hammer pressure along the pipeline and the maximum values
in various cases as well as the negative pressure in pipeline．The results can guide the selection of economical and practical water
hammer protection measures and optimization of pipeline design．
Key words： shutdown of pump；water conveyance line；water hammer pressure；protective measures

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