长距离输水管道水锤过程预测及防护

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在火力发电厂补给水系统中， 当水源远离循环 水泵站时， 必须采用长距离输水管道系统。在这类 系统中， 随着地形的跌宕起伏， 特别是当管道与其 它建设物交叉或需要穿越时， 往往容易形成局部凸 起。 因此， 一旦系统中发生事故停泵， 停泵初期的降 压水锤波首先在这些局部地形点产生水体汽化， 导 致水柱分离。当这种分离的水柱重新弥合时， 其形 成的撞击水锤将会导致异常的压力升高从而招致 管道的破坏。因此， 在长距离电厂补给水工程中发 生爆管事故的现象时有发生。 针对上述管道输水工程中存在的问题， 文章在 对事故停泵水力过渡过程理论和计算方法深入探 讨的基础上， 提出长距离输水管道中事故停泵水锤 计算的数学模型， 并以具体工程为对象， 进行事故 停泵水力过渡过程的数值模拟与预测。同时， 通过 建立空气罐复杂边界条件的数学模型并求解， 对这 一水锤防护措施的水锤防护特性进行分析。 式中 —— , .、 C.—管道内点的瞬态压力和流量； —— D—管道特性常数， DN$ O -E ； —— $—水锤波传播速度； —— -—重力加速度； —— E —管道截面面积； &F、 &.——由前一时段计算得到的已知常数。 在水柱分离过程中，水体汽化形成汽穴空腔， 计算载面作为特殊边界进行处理。 作为水锤防护设 计中的一个十分重要的参量，气穴空腔的体职 由下式计算： “水柱分离及再弥合” 现象， 从而破坏非恒定流动的 连续性。因此， 采用带水柱分离的特征线法进行求 解， 即在水柱分离产生之前和水柱再弥合之后管内 流动为连续非恒定流， 其特征线方程为：
!*&力》 期刊是国家电力公司华中公司主办的电力科技刊物， 办刊方针是宣传国家发展 电力工业的技术方针、 政策， 交流华中四省电力生产、 建设、 科研、 设计等方面的新成果、 新工艺、 新材料、 新设备， 介绍国内外电力工业发展的动态趋势等， 以推动和提高华中地区电力行业的技 术水平和管理水平， 可供电力行业的广大科技和管理人员使用。 双月刊， 国内外公开发行， 每期定价 4 元， 全年 %4 元 （含邮资） ， 本刊为大 !4 开本， #$$! 年 期刊征订工作现已开始办理。 订阅者请与 《华中电力》 编辑部联系， 以便把征订单给您寄去， 欢迎广大科技工作者订阅。 编辑部地址： 湖北武汉东湖梨园国家电力公司华中公司 《华中电力》 编辑部 联系电话： （$#5） +454#6+* 邮编： "%$$55
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空气罐水锤防护研究
带空气罐的水泵边界条件 空气罐是一个上部为压缩空气， 下部为水体的
压力容器。一旦事故停泵， 在管道中压力降低时的 第一阶段， 罐内空气迅速膨胀， 下层水体在空气压 力作用下迅速补充给主管道， 防止水柱分离。当压 力回复之后， 管道中的水锤压力由于有压水通过连 接管进入空气罐而释放。 因此若管道系统需要同时 进行正水锤和负水锤的防护时， 采用空气罐是一种 安全可靠水锤的防护措施。
收稿日期： #$$$ 1 $L 1 #’ 作者简介： 刘时芳 （!/-’M ） ， 女， 湖北仙桃人， 工程师，
!,GH6ID%CGMC* %&* —— CG， C—计算时段 !( 内平衡流入和流出
水柱分离产生载面的流量。
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!""# 年第 # 期
华 中 电 力
体积；
第 #$ 卷 —— !"、 !—计算时段 &/ 开始和末了的空气 —— 0—气体的可逆多变指数， 0*#3"4#3$； —— )—空气罐中初始空气绝对压力与体积的 乘积；
/,1 水泵出口压力变化过程
/H1 沿管道压力包络线
图!
无空气罐时事故停泵水力过渡过程
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第 !" 卷
长距离输水管道水锤过程预测及防护
#$$! 年第 ! 期
由于其事故停泵后的最大水锤压力主要是分 离后的水柱撞击引起的， 对本系统的水锤防护应以 防止负压的产生为主。 图 % 为泵出口采用空气罐以 后的事故停泵水力过渡过程， 从中可以看出， 由于 空气罐的补给作用， 管中的负压已被控制在水体汽 化压力以上， 从而破坏了水柱分离及再弥合现象产 生的条件。通过空气罐的补给和吸收作用， 管中最 大水锤压力控制在管道承压允许的范围之内。 上述 计算结果表明， 采用空气罐可以有效地解决该管道 系统中的水锤问题。
建立了复杂泵系统水锤计算及空气罐边界条件的 数学模型， 并以实际工程为对象， 对空气罐作为防 护手段的水锤防护效果进行研究。计算结果表明， 采用空气罐对输水系统进行防护， 可以有效地避免 管线中水柱分离的产生， 从而将最高水锤压力限制 在管道允许的承压能力以内。
&%’ 建立的模型和所得的结果可广泛应用于其
图#
带空气罐的水泵边界条件示意图
特征线法进行事故停泵水锤的计算机模拟，结果如 图 ! 所示。 从图中可以看出， 由于水泵转速的迅速降 低， 在事故停泵以后很短的时间内， 管中水体压力降 低到其相应的汽化压力而产生了水柱分离。在约 $= < 时， 这种分离的水柱重新弥合， 所产生的最大撞击水 锤压力达 #3G EF,， 远远超过了管道允许的承受能力。
如图 # 所示的泵系统， 当空气罐布置在水泵出 口且两者之间的管道长度可以忽略时， 它可与水泵 及其出口阀构成一个完整的边界条件进行求解， 其 数学模型可由水头平衡方程、 气体等熵绝热条件及 管道的相容性方程建立如下：
式中
—— !"# —进水池水位； —— $ %， &%—水泵额定扬程和额定流量； —— !， "—水泵无量纲转速和流量； —— ’—水泵 %&’() 全特性曲线横坐标； ’*#+,)-’,./! 0 "1； ( "2( #2)"2)#——水泵全特性曲线的插值系数； —— $ *—绝对大气压力； —— $ + "—稳定运行时水泵出口阀的水头损失； —— $—阀门无量纲开度系数； —— &,、 &,-—时段初和时段末空气罐向管道补 给水体的流量； —— %—连接管的阻力损失系数； —— ( -—该管的长度； —— .—空气罐中水面高程；
它工农业供水、 城镇给排水等管道输水系统， 对提 高管道工程的安全可靠性及运行稳定性具有重要 的意义。
参考文献： 刘梅清 ( 多泵并串联复杂泵系统水锤分析 ［! ］ 刘光临， 及其控制 ［) ］ ( 农业机械学报， !**+(* ， ,-.(#*&%’( ［# ］ 刘竹溪， 刘光临 ( 泵站水锤及其防护 ［/ ］ 水 ( 北京： 利电力出版社， !*++( ［% ］ 0(1( 怀利， 2(3( 斯特里特 ( 清华大学流体传动与控 水利电力出版社， 制教研室译瞬间流 ［/ ］ ( 北京：
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结论及建议
伴随事故停泵 &!’ 在长距离管道输水工程中，
所产生的最大水锤压力是由于管道中出现的水柱 分离及再弥合产生的撞击水锤。 因此对这类管道系 统的水锤防护应以防负水锤为主， 尤其是管道中存 在局部凸起时更应给予足够的重视， 否则可能导致 水锤爆管事故的发生。
&#’ 针对长距离管道系统中存在的水锤问题，
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事故停泵水锤预测的数学模型
事故停泵水锤的数学基础是描述管道内瞬变
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所形成的压力升高 !, 为： 式中
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在水柱再弥合发生的瞬间， 由于两股水柱撞击
流动的特征线方程， 它与复杂的水泵边界条件及除 管道内点以外的其它边界条件构成事故停泵水锤 计算的数学模型。对长距离输水管道， 复杂的地形 条件变化往往形成明显凸起点，在管中极易产生