大连某输水管道水锤分析

摘　要：水锤的大小与水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大，在同样水流速度变化的工况下，水锤就愈大，即压力变化也愈大。水锤波在系统起到很重要的作用。在理论的情况下，机械波(此时即压力波)在水中传递的速度为1450m/s。在实际当中，该波速要小于理论值，它与管道的弹性有关系，管道弹性越强波速则越小。在钢管中一般为800-1200m/s。在砼管中一般为600-800m/s，在塑料管中则为250-500m/s，管径越大，波速则越慢。管壁越厚，刚性越强，波速就越快，反之则波速越慢。

关键词：输水管道 水锤分析 排气阀
1.工程概况
　　本工程管线全长20Km，管径为DN1000mm和DN800mm，管道材质为球墨铸铁，壁厚分别为13.5mm和11，7mm，设计流量为13.2x104m3/d。输水管道沿线地势起伏较大，高程为8-60m。
2.水锤分析
2.1 计算软件
　　计算软件采用美国肯塔基大学SURGE2000软件。该软件为世界公认边界条件最全，实践性最强的软件系统。成功应用于世界各地。
2.2 水锤简介
2.2.1 分析条件
　　1.根据输水管道的工况条件，我们在做水锤分析时是按照最大设计流量的工程进行计算；
　　2.我们在选择空气阀时遵循了以下原则：进气量的计算按照水锤的计算条件，仅做参考；微量排气量的计算按照最大设计流量计算；空气阀安装的位置及间距我们是根据地流量工况和水锤的计算结果两者综合考虑后，提出的设置方案。
2.2.2 水锤说明
　　水锤的定义，参照国内成熟的理论：在压力管道中因流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水利撞击现象称为水锤现象。此时液体显示出它的惯性和可压缩性。
　　需要指明的是因流速的变化而长生的压力变化，其传递形式是以机械波的形式传递的。
　　水锤的约克夫斯基公式: △H=△V×C/g
　　其中：
　　△H  表示压力升高
　　△V  表示水流速度的变化率
　　C　　表示水锤波的波速
　　g　　表示重力加速度
　　
　　上述公式基本上解释了水锤，即压力波，产生的原因和影响其大小的因素。
　　水流速度的突然变化，即是产生水锤的根本原因。只要水的流速发生变化，系统压力必然发生变化。
　　水锤的大小与水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大，在同样水流速度变化的工况下，水锤就愈大，即压力变化也愈大。水锤波在系统起到很重要的作用。在理论的情况下，机械波(此时即压力波)在水中传递的速度为1450m/s。在实际当中，该波速要小于理论值，它与管道的弹性有关系，管道弹性越强波速则越小。在钢管中一般为800-1200m/s。在砼管中一般为600-800m/s，在塑料管中则为250-500m/s，管径越大，波速则越慢。管壁越厚，刚性越强，波速就越快，反之则波速越慢。
　　根据上述的理论公式，我们可以简洁地得到以下结论：
　　减缓水在系统中的流速变化，降低机械波的传递速度。系统中因事故工况而产生的压力变化就会减弱，水锤就 得到控制。
　　停泵水锤的特点：在供水系统中，工程人员厂遇到的水锤工程狂是所谓“停泵水锤“。可能出现的工况为：
　　a.试运行时，单泵运行关停水泵引起压力波动。
　　b.正常运行时，人为事故停泵，单泵或多泵。
　　c.系统突然停电。
　　由于水泵的突然关停，水泵之后的管道内，会出现压力下降。水锤波会快速向水流相同的方向传递。到达终点后(或终点阀门，或者水池，或者管网)水锤波会返回，返回的压力波会使水泵后的管道的压力升高。压力波遇到止回阀的阻挡后，会继续返回，在管道中进行阻尼振荡，慢慢平稳在静水压线上。
　　如果在开始的压力下降中，压力下降至负10m左右时，水会出现冷沸现象。在实际当中，我们看似水断流了，水柱被拉断。当压力波返回时，该管段处的水由气迅速转变成液态水，压力会集聚升高，便是常说的水柱弥合现象。这样的水锤在实际当中破坏性大，被称为“非常水锤”。
2.2.3 空气阀的选择
　　1.关于空气充水排气量的计算：
　　首先，空管充水的流速应当到控制，否则会产生正向水锤，可能威胁管道的安全。这也是不提倡所谓“高速”、“快速”等商业推广的原因所在。其次，空管充水不能单单依靠空气阀来控制。而是水泵控制，管线隔离阀门等各种运行方式的综合作用。相对来说，在控制充水速度的同时，利用简单的公式，几乎均可以通过手算或者软件计算出阀门的位置及口径。
　　2. 正常排气量的复核：
　　正常有压水流的状态中，气泡有的是游离状，气泡不明显，不凝聚，水水流流动；再有，便是一段水，一段气的流动，这种工况存在时间短，属较为极端的工况。
　　气泡的形态主要取决于管道内流速以及管道的粗糙系数。那么气泡能够移动的临界速度为：
　　
　　Vc-----临界流速
　　θ-----管线坡度
　　g-----重力加速度
　　D-----管线直径
　　如果水流的速度大于临界流速，则在这一段管线内空气泡不会滞留，会被水带走，因此管线中间或两个临近的高点可以不全设安全阀。同时，水流速接近临界流速，气泡可能越不离散，而越明显。
　　3.爆管进气量复核：
　　主要依据Hazen-Welliams公式进行进气量复核：
　　
　　其中：
　　Qburst-----爆管所需补充流量
　　S-----管线坡度
　　D-----管径
　　C-----Hazen-Welliams参数
　　4 .泄水进气量复核：
　　
　　
　　其中：Qdrainage-----泄水进气量
　　Cd　　 　　------泄水量系数
　　g　　------重力加速度
　　△h　　------高点与泄放电高差
　　D　　------管道直径
　　以上四种计算综合的复核，加之全部的水力学计算，大致可以得到相关的空气阀选型以及位置的结论。此外，如上所诉，经验的分析也十分重要。比如:理论上计算可能会出现多种不同的阀门，应实践要求需要统筹考虑，减少阀门的品种，减少工程中可能出现的繁乱。
2.2.4 分析结果
　　本工程在水锤分析当中体现出较为特殊的几点：
　　管线起伏多，中间高点多；
　　管道整体走向是向下的趋势；
　　管线口径大，对负压破坏承受能力差；
　　重力流的影响较大。
3.工程设计
3.1恒定流计算(纯理想工况)
　　在进行不恒定流计算之前先进恒定流计算，将恒定流的计算结果(如各点的压力、流量，水泵的工作点等)作为不恒定流计算的初始条件。恒定流计算过程如下：
3.1.1 水头损失
　　将整条管线分成若干计算管段，分别计算系统沿线各管段的沿程水头损失和局部水头损失，计入局部水头损 失的元件包括水平弯管段和垂直弯段、变径段、分岔段、汇合管、蝶阀、进出口等。
　　1.管段沿程水头损失计算按-Hazen-Welliams公式：
　　
　　f　　----  单位长度的摩擦损失mm
　　CMS  ----  公制流量单位m3/s
　　di　　----  管内径
　　C　　----  管的粗糙度(C=130)
　　2.管段上局部水头损失计算公式：
　　
　　hj，i----管道局部水头损失(m)
　　ξi---- 局部水头损失系数；
　　Vi----经过该水力元件的流速(m/s)；
　　将某一计算管段i上沿程损失hf，i加上该管段上全部局部水头损失∑hj，i，m，作为该计算管段的总水头损失hk，i表示，即：hk，i=hf，i+∑hj，i，m
　　用沿程水头损失的形式表示该管段的总水头损失hf，i，该管段的流速、管径仍为Vi、Di，管长为Li，当量沿程损失系数用λi表示，即：
　　
　　这里求得的λi将作为水力参数进行瞬变流计算。
3.1.2 恒定流分析
　　因为两条管线流量是不同的，其中一条流量为7.2万吨/天，另一条流量为6万吨/天。针对两条管线进行恒定流量时进行了分析。
　　流量大的管段：针对管线进行恒定流的水力分析如图1，其中中间的蓝粗线为管线敷设线，红线为管线正常供水时的水压线。其中X州为管线距离，Y轴为绝对高程。
　　

　　图1所示是假设没有任何进排气措施，系统允许虹吸，从理论上得到以上的工作压力(红线)。该工况为纯理想工况。由于本管线两处明显呈拱背状，且从整条管线看，管线走势为顺坡向下，即为重力流，在输水过程中可能会出现真空，形成虹吸现象。
　　其中，可以看到管线有不少地方，起伏较大，但是均比较短，在下坡段水流会将空气拉向上坡段，形成气囊影响输水。建议在一些短距离坡度起伏较大地方，坡顶安装1存排气阀。
　　流量较小段：见图2.


　　图2所示也是建设没有任何进气措施，系统允许虹吸，从理论上得到以上的工作压力线(红线)。该工况为纯理想工况。本管线与流量大的管线相似。同样两处明显呈拱背状，且从整条管线看管线走势为顺坡向下，即为重力流，在输水过程中可能会出现真空，形成虹吸现象。其中，可以看到管线有不少地方，起伏较大，但是均比较短，在下坡段水流会将空气拉向上坡段，形成气囊影响输水。建议在一些较短距离坡度起伏较大地方，坡顶安装1寸排气阀。
3.1.2 非恒定流分析
　　两条管线均为重力流，本段管线没有涉及泵站，因此，本段管线不需要水锤计算。
4.结语
(1)美国肯塔基大学SURGE2000软件对输水管线的水力分析，能够准确快速确定输水管线是否需要进行水锤保护措施。
(2)根据水锤分析在适当的位置安装空气阀能够有效的解决管网负压造成管网阻水的问题。
参考文献
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