空气罐对压力流输水管道水锤的防护研究

空气罐对压力流输水管道水锤的防护研究

Summary：现阶段我国越来越广泛的采用泵站进行压力流输出以解决城市需水问题。在输水过程中一旦发生停泵水锤将对输水管道和泵站造成严重破坏。在泵后设置空气罐是一种简单有效的水锤防护措施，可以有效的吸收压力波动并减小沿程负压。本文使用计算机程序对停泵水锤现象进行模拟，通过比较计算结果得出空气罐对停泵水锤防护能力的一般性结论，为空气罐的设计提供指导。Keys：停泵水锤；空气罐；防护能力ProtectionStudyonWaterHammerofPressureFlowPipelinesbyAirVesselLIUYilang（ZhonghehuaweiEngineeringDesignandResearchCorporation,Ltd,Nanjing210019,China）Abstract：Pressureflowtransmissionofwaterwiththebenefitofpumpstationismoreandmorewidelyusedinourcountryatthepresentstage.Itwillcauseseriousdamagetopipelineandpumpstationoncepump-stoppingwaterhammeroccurs.Settinganairvesselafterthepumpisasimpleandeffectiveprotectionmeasures,whichcanabsorbpressurefluctuationandreducethesubpressurealongthepipeline.Thistextsimulatesthepump-stoppingwaterhammerusingcomputerprogram,andgetgeneralconclusionsontheprotectivecapacitiesbroughtbyairvesseltopump-stoppingwaterhammer,providingguidanceforairvesseldesign.Keywords：pump-stoppingwaterhammer；airvessel；protectivecapacities0引言我国水资源分布在时空上具有极大的不均匀性，随着社会的发展，我国的很多大中城市越来越依赖从其他水源地调水以满足当地的工农业发展和人民生活需求。重力流输水有着运营成本低的特点，但其使用往往受限于地形，因此压力流输水方式得到了日益广泛的使用。在压力管流中因流速剧烈变化引起动量装换，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[1]。泵站中发生水锤事故，是较为普遍的，其中因雷击、人为误操作、电路故障等造成的停泵水锤危害较大，严重时甚至造成管道爆裂、淹没泵房。空气罐是一种简单有效的水锤防护措施。在压力流输水管路中发生水锤时，空气罐可以向管路中补水以减小或消除管路中的负压，并可以有效的吸收压力波动以加速系统中水锤波的衰减。且空气罐具有占用空间小、造价低、维护简单的特点。其中气囊式空气罐在一次充气后可以长期使用，且可以防止罐中的气体进入输水系统。本文结合实际工程，通过计算机程序对压力流输水系统中的水锤进行模拟，比较不同空气罐尺寸对水锤压力的影响并得出相关结论。1数学模型1.1压力管道的控制方程及特征线方程压力管道中的水锤的基本控制方程如下[2]：运动方程：（1）连续性方程：（2）式中，为管路中某点的测压管水头（m）；为管道的直径；为管路摩阻系数；为管内流速（m/s）；为管路与水平面间夹角；为水锤波传播速度（m/s）。目前国内外均使用特征线法求解水锤基本方程。特征线法在文献[2]中有较为详细的论述：首先采用牛顿—拉普森法求解管内恒定流动，计算结果将作为求解瞬态流动的初始条件；然后使用特征线法将（1）和（2）两个偏微分方程变换为全微分方程；再用有限差分法求解瞬态流动在任一瞬时各断面上的水力参数。1.2气囊式空气罐的边界条件常用的空气罐的数学模型是基于以下几点基本假设：（1）忽略空气罐罐壁、罐内水体体的弹性；（2）忽略罐内水体和气体的惯性；（3）忽略气囊与罐体的摩擦；（4）罐内气体满足理想气体方程。气囊式空气罐的边界方程为：（3）（4）（5）（6）式中，为罐内气体绝对压力；为气囊体积；为气体初始状态常数；为气体指数，通常空气可以取1.2，氮气可取1.4；为空气罐与管路连接处的测压管水头；为大气压压头；为空气罐孔口阻力系数；为罐内水面水位；为空气罐罐体横截面面积；为通过孔口流量；为空气罐孔口过流面积；、分别为空气罐上、下游侧管路节点的流量。2算例分析2.1基本资料某压力流输水项目，管道全长为16.4km，采用DN800球磨铸铁管。前池设计水位为126.26m，末端水池设计水位为238m。2台水泵并联，水泵设计扬程为151.80m，水泵型号为OTS250-800A/1-2。每台水泵后设有一DN800缓闭式液控蝶阀，根据已有的工程经验[3][4][5][6]，发生停泵水锤时，缓闭式液控蝶阀从0~15s关闭至75%，15s~215s缓慢关闭至100%。图为两台水泵同时突然停泵时管路的沿程测压管水头包络线，其中最大压力为2.027MPa，出现在泵站出口处。沿程管路多处负压达到-0.098MPa，即出现水柱拉断现象。可见在无防护措施的情况下一旦出现停泵水锤将对整个输水系统造成较大破坏。图2沿程测压管水头包络线（不设空气罐）2.2比较不同空气罐尺寸对沿程水锤压力的影响在两台水泵的缓闭式液控蝶阀后各设一台空气罐，计算不同空气罐体积和孔口直径对沿程水锤压力的影响。所有工况中管路处于稳态运行时，气囊内的气压均为1.301MPa。根据工程经验[7][8][9][10]，将罐内的稳态运行时的气体体积初步定为总体积的50%。工况说明及计算结果见表1。从表中沿程最大压力可以看出，相同孔口直径的工况对应的沿程最大压力基本相同。空气罐孔口直径越大则沿程最大压力越大，根据工程经验这是因增大了水锤波的发射造成的。图3为不同工况对应的沿程测压管水头包络线。图中显示，发生水锤时所有工况的沿程最大压力均出现在泵站出口处。空气罐体积相同时，孔口直径越大，沿程负压越小，这是因为增大孔口直径减小了水体流出时的阻力，使得在发生停泵水锤时空气罐对管路的补水能力增强。当孔口直径相同时，25m³的空气罐相比16m³空气罐对应的工况沿程压力，尤其是管路后半段压力较小，这是主要是由于空气罐中的气体体积更大，所造成的缓冲效果也更明显。表1沿程压力最值编号孔口直径（mm）空气罐体积（m³）稳态运行时罐内气囊体积（m³）沿程最大压力（MPa）沿程负压描述120025.012.51.301多处出现水柱拉断230025.012.51.387管路末端和管路中段出现水柱拉断340025.012.51.426没有出现水柱拉断，少量断面出现负压420016.08.01.301多处出现水柱拉断530016.08.01.412管路末端和管路中段出现水柱拉断640016.08.01.457没有出现水柱拉断，少量断面出现负压（a）空气罐体积25m³（b）空气罐体积16m³图3沿程测压管水头包络线发生停泵水锤时泵站出口处的压力波动情况如图4。图4中（a）、（b）图都显示，相比泵后不设空气罐的情况，泵后设空气罐时，泵站出口的压力波动范围会大幅减小、波动的衰减也明显加快。图中也显示，空气罐孔口直径越大，泵站出口处的最小压力越大，这和从图3中得出增大孔口直径可以提高空气罐对管道的补水能力的结论是一致的。对比图4中的（a）图和（b）图，可以看出泵后设有25m³空气罐相比16m³空气罐泵站出口处波动的周期要稍长，这也是由于前者罐内气体体积更大带来的缓冲能力更强造成的。（a）空气罐体积25m³（b）空气罐体积16m³图4泵站出口处压力波动4结论压力流输水过程中一旦出现停泵水锤将产生严重危害，在泵后设置空气罐可以带来很好的防护作用。通过分析算例的计算结果，可以得出以下结论：（1）空气罐孔口直径增加时会在一定程度上增加水锤波的反射，从而导致沿程最大压力升高，但相比不设空气罐的情况，沿程最大压力仍然得到明显消减；（2）增大空气罐的孔口直径可见减小水体流入、流出空气罐时的阻力，从而增强空气罐对管路的补水能力，可以有效减小沿程负压；（3）增大空气罐内的气体体积可以增强空气罐对压力波动的吸收能力，并增强波动的衰减效果。Reference：[1]金锥，姜乃昌，汪兴华等.停泵水锤及其防护[M].北京：中国建筑工业出版社.2004.[2]E.B.怀利，V.L.斯特里特.瞬变流[M].北京：水利电力出版社，1983.[3]江新耀.某电厂循环水事故停泵关阀瞬变流的仿真研究[J].供水技术，2012，6（1）:32-36.[4]张健，俞晓东，朱永忠.长距离供水工程的关阀水锤与线路填充[J].水力发电学报，2010，29（2）:183-189.[5]温丙奎.两阶段关阀用于循环水系统水锤防护的计算分析[J]嘉应学院学报，2010，28（11）:49-53.[6]陈培兴.小舜江输水泵站液控蝶阀关阀时间及停泵方式改进[J].给水排水，2012，38（5）:105-106.[7]陈云良，鞠小明，郑小玉等.火电厂补给水系统气囊式空气罐水锤防护特性研究[