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長距離泵輸水系統(tǒng)管線尾部有局部高點(diǎn)的水錘多閥防護(hù)分析

文檔作者：孫永福文檔來源：甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年01月23日
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第48卷第9期
2012年9月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU W ATER RESOURCES AND H DROPOW腿TEC墨NOLOGY
Vo1．48．No．9
Sep．，2012
· 設(shè)計與研究·
長距離泵輸水系統(tǒng)管線尾部
有局部高點(diǎn)的水錘多閥防護(hù)分析
孫永福
(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅蘭州 730000)
摘要：通過對末端有局部高點(diǎn)的泵輸水系統(tǒng)出現(xiàn)的氣液兩相瞬變流的數(shù)值模擬，分析計算了泵站及其管路的瞬變過
程。為了保證系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，末端局部高點(diǎn)不被拉空，在管線的末端裝設(shè)了調(diào)流閥；為消除負(fù)壓在管線凸起部分
安裝了單向調(diào)壓井和復(fù)合式排氣閥；為消除復(fù)合式排氣閥導(dǎo)致的管路系統(tǒng)中的較高正壓，在干管進(jìn)口安裝超壓泄壓
閥，使得整個管路的壓力在所允許的范圍之內(nèi)；同時考慮到運(yùn)行工況的多樣性和閥門的功能及系統(tǒng)裝有大量的復(fù)合
式排氣閥，在水泵出口安裝多功能水泵控制閥以控制泵水的倒流和水泵倒轉(zhuǎn)。安裝多種閥門可消除系統(tǒng)嚴(yán)重的負(fù)
壓，抑制了系統(tǒng)較大的壓力脈動，為尾部有局部高．點(diǎn)的水泵輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)探索出新的方法。
關(guān)鍵詞：調(diào)流閥；單向調(diào)壓井；復(fù)合式排氣閥；超壓泄壓閥；多功能水泵控制閥；水錘
中圖分類號：Tv675；TU991．39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095—0144(2012)09—0018—03
1 前言
流體的瞬變過程是指當(dāng)壓力管道中的流體因某
些原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時，由于流體的慣性
作用而引起管道內(nèi)流體壓力急劇變化的現(xiàn)象。當(dāng)管
道中壓力降低到水的汽化壓力，即管路中出現(xiàn)氣、液
兩相流，由此而帶來的負(fù)壓和水注彌合壓力都會對
管路造成危害。如果預(yù)防不及或處理不當(dāng)將會導(dǎo)致
管道劇烈震動，泵閥等設(shè)備被損壞，嚴(yán)重時整個系統(tǒng)
管道斷裂破壞。因此，對泵站及其管路進(jìn)行瞬變過
程的分析計算，針對計算結(jié)果進(jìn)行合理分析并采取
相應(yīng)的水錘防護(hù)措施以達(dá)到安全性的要求就顯得尤
為重要。
2 兩相瞬變流基本假設(shè)
對管道中的兩相流作如下的基本假設(shè)：
(1)不考慮兩相間的相對速度(運(yùn)動)，在同一
斷面上，氣相和液相的速度在每一瞬間均相等，都等
于混合體的速度：
(2)因按一維流態(tài)分析，所以一些物理量如流
速、密度和壓力等均按斷面平均值計算；
(3)不計氣泡的表面張力。
采用的基本方程和單相流一樣，但需分相列出
質(zhì)量方程，因不計相間的動量變換，所以動量方程可
以合并為一個混合體的動量方程。
3 水錘計算及其防護(hù)
某供水系統(tǒng)的管線總長度為13 085．71 m，管道
直徑為800 mm，進(jìn)水池設(shè)計水位2．0 m，出水池設(shè)計
水位12．5 m，即凈揚(yáng)程為lO．5 m，有兩臺機(jī)組，采用
一用一備的方式工作，水泵設(shè)計流量0．802 5 m3／s，
設(shè)計揚(yáng)程為63 m。額定轉(zhuǎn)速為990 r／min。
3．1 無任何防護(hù)措施
在管線接近末端的位置處，有一個局部高點(diǎn)(樁
號為11+674．75)。沒有任何防護(hù)措施時，在管線處
就存在負(fù)壓，其值為一10．3 II1，小于水的汽化壓力(水
的汽化壓力為一8 m)。也就是說由于此局部凸高點(diǎn)的
存在．在穩(wěn)態(tài)的時候此處會被拉空，系統(tǒng)無法正常運(yùn)
行。圖1是沒有任何防護(hù)措施時，管線的壓力包絡(luò)
線。最大壓力出現(xiàn)在泵的出El，最小壓力就在出現(xiàn)
在管線末端的那個局部凸高點(diǎn)。
圖1 管線壓力包絡(luò)線
收稿日期：2012—09—14
作者簡介：孫永福(1973一)，男，甘肅臨洮人，工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計。
· 18 ·
第9期 孫永福：長距離泵輸水系統(tǒng)管線尾部有局部高點(diǎn)的水錘多閥防護(hù)分析 第48卷
3．2 管線末端加調(diào)流閥
為了能保證管線的系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在管線末
端加了一個鼠籠式活塞調(diào)流閥，從而使得管線在穩(wěn)
態(tài)運(yùn)行時，末端的阻力增大，在局部高點(diǎn)就不會出現(xiàn)
被拉空的現(xiàn)象。當(dāng)管線末端的局部凸高點(diǎn)基本不出
現(xiàn)負(fù)壓時，其開度是0．455。活塞式調(diào)流閥閥前壓力
為16．99 m，閥后壓力為4．16 m。圖2是1臺機(jī)組正
常運(yùn)行時管路系統(tǒng)的壓力線。最大壓力出現(xiàn)在泵的
出口，其值為63．46 m，輸水管無負(fù)壓，穩(wěn)態(tài)的最小壓
力時管線中的最小壓力為2．14m，輸水管無負(fù)壓。
／高程
， 最小壓力
／最大壓力
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圖2 管線壓力包絡(luò)線
3．3 管線末端加調(diào)流閥。停泵
根據(jù)前面的計算結(jié)果可知，只有管線的末端加
調(diào)流閥，才能保證管線穩(wěn)態(tài)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)正
常運(yùn)行時，突然停泵斷電會在系統(tǒng)中引起巨大的水
錘壓力，同時管線中的某些位置受停泵之后在泵出
口產(chǎn)生的負(fù)壓波的影響產(chǎn)生非常大的負(fù)壓甚至汽
化。圖3是機(jī)組突然停泵斷電的壓力包絡(luò)線，從最
小壓力這條線中可以看到管線的大部分位置出現(xiàn)了
汽化。最大壓力為78．22 m，其出現(xiàn)的位置不在水泵
的出口，出現(xiàn)最大壓力的位置也存在汽化，這說明最
大壓力時由于停泵時的汽化而造成的水錘壓力。
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，／最大壓力
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圖3 管線壓力包絡(luò)線
3．4 管線末端加調(diào)流閥，停泵，設(shè)注氣微排閥
根據(jù)反復(fù)計算和分析．在管線的局部凸高點(diǎn)建
議設(shè)置8個注氣微排閥，進(jìn)出口直徑為150／15，樁
號分別是：590，l+46o，l+540，1+559，2+56O，5+918，
6+548，l1+640。
圖4是設(shè)置了注氣微排閥后，1臺機(jī)組停機(jī)，管
線系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線。水泵出口出現(xiàn)最大壓力61．1
m，樁號1+570處出現(xiàn)最小壓力一0．5 m。消除了汽化
現(xiàn)象。也就是說通過加裝注氣微排閥已經(jīng)可以基本
將管線中的負(fù)壓減小的很小的值．可以保證停泵時
不會對系統(tǒng)的造成很大的威脅。圖5為水泵的流量
和轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線，從圖中可以看到在整個
停泵的過程中水泵出現(xiàn)倒流的時間為16 s。最大倒轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的O．8倍，相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最
大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1．2倍的規(guī)定。
圖4 管線壓力包絡(luò)線
，流量 ，轉(zhuǎn)速
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圖5 水泵的流量、轉(zhuǎn)速變化曲線
3-5 管線末端加調(diào)流閥，停泵，設(shè)注氣微排閥。關(guān)閥
閥門關(guān)閉時間對水錘壓力有較大影響。綜合考
慮最大水錘壓力、最小水錘壓力、水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速
等因素，擬定1臺泵運(yùn)行時，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律為
兩階段關(guān)閥：0—16 s關(guān)80％，16—96 S關(guān)閉。圖6是設(shè)
置注氣微排閥，l臺機(jī)組停機(jī)，關(guān)閥，管路系統(tǒng)的壓
力包絡(luò)線。最大壓力出現(xiàn)在水泵出口閥前，其值為
61．1 m，最小壓力一0．4 m，沒有汽化，最大壓力也沒有
超過水泵出口額定壓力的1．3倍．符合相關(guān)設(shè)計標(biāo)
準(zhǔn)的要求．通過圖7水泵的流量和轉(zhuǎn)速隨時問的變
化曲線的可以看到采用這種關(guān)閥方案也很好的解決
了泵水的倒流和水泵倒轉(zhuǎn)問題。
· 19 ·
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20l2年第9期 甘肅水利水電技術(shù) 第48卷
圖6 管線壓力包絡(luò)線
圖7 水泵的流量、轉(zhuǎn)速變化曲線
3。6 管線末端加調(diào)流閥。停泵，設(shè)單向調(diào)壓井、注氣
微排閥．關(guān)閥
根據(jù)前面的計算結(jié)果可知。注氣微排閥的布置
已經(jīng)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但是鑒于整個系統(tǒng)的重
要作用，保證在停泵過程中管線中不出現(xiàn)負(fù)壓，將上
述計算的局部位置的注氣微排閥換做為單向調(diào)壓
井。通過反復(fù)的調(diào)整計算．將調(diào)壓井的個數(shù)進(jìn)行了
適當(dāng)?shù)臏p少，在管線樁號為1+460，5+918，11+640
處個加裝了1個直徑為5 m，高度為7 m的調(diào)壓井，
將原來泵出口閥門的關(guān)閥規(guī)律仍舊不發(fā)生變化即。
泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律為兩階段關(guān)閥：0—16 S關(guān)80％，
16—96 s關(guān)閉。圖8是管線的壓力包絡(luò)線，從圖中可
以看到管線中的最大壓力出現(xiàn)在水泵出口閥前。其
值為61．9 m，最小壓力0．8 m，沒有出現(xiàn)負(fù)壓，不會產(chǎn)
生汽化，最大壓力也沒有超過水泵出口額定壓力的
1．3倍，可以滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。通過圖9水
泵的流量和轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線的可以看到采用
這種關(guān)閥方案也很好的解決了水泵的倒流和倒轉(zhuǎn)問
題。同時也說明了由于單向調(diào)壓井與注氣微排閥的
相互結(jié)合，使得整個管線在停泵關(guān)閥的過程中，既沒
有產(chǎn)生較大的水錘正壓，也沒有因?yàn)橥１脮r的負(fù)壓
波的影響而產(chǎn)生較大的負(fù)壓甚至汽化現(xiàn)象，從而可
以保證系統(tǒng)的安全、可靠、正常運(yùn)行。
· 20 ·
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圖8 管線壓力包絡(luò)線
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40 80 120 l60
時間，8
圖9 水泵的流量、轉(zhuǎn)速變化曲線
4 結(jié)論和建議
4．1 建議
為了保證此供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提出如下幾
點(diǎn)建議：
(1)在管線樁號分別為：0+590，1+54O，1+559，
2+560，6+548，5處設(shè)置注氣微排閥，計算口徑為進(jìn)
出口口徑比15o／15(單位mm)；
(2)注氣微排閥采用牛角布置，每個位置有兩
個注氣微排閥，每個注氣微排閥換算得到其進(jìn)出口
直徑比為107／11(單位mm)；
(3)在管線上的每兩個注氣微排閥之間的間隔
不得超過800 m，同時在局部高點(diǎn)也加裝進(jìn)排氣閥，
也可適當(dāng)增加注氣微排閥的個數(shù)：
(4)在管線樁號為：1+460，5+918，1l+640處各
加裝了1個直徑為5 m，高度為7 m的調(diào)壓井：
(5)在管線的末端加裝一個調(diào)流閥，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)
行時，調(diào)整其開度從而保證樁號為11+640處的壓
力為正壓至少2m：
(6)推薦1臺機(jī)組停機(jī)關(guān)閥方案：0—16 s關(guān)
80％，16—96 s完全關(guān)閉；
(7)在水泵出口干管進(jìn)口設(shè)置1個口徑為300
mm的在3 s內(nèi)能快速完全開啟的超壓泄壓閥，當(dāng)只
有一臺泵運(yùn)行時整定開啟壓力為80 m，完全關(guān)閉壓
力為60 m； (下轉(zhuǎn)第41頁)
8 O
叫， 罐宕《礤 缸 霞罌
第9期 王德彬：淺談極端氣候?qū)λこ探ㄔO(shè)影響 第48卷
大約只相當(dāng)于全國平均水平1／3。至今，流經(jīng)我國云
南的三條主要大江河中只有瀾滄江上的小灣水電站
(150億m，庫容)是一個具有調(diào)蓄能力的龍頭水庫。
而且．這還是2009年9月旱情開始以后才建成蓄
水，相當(dāng)于在2009年的大旱中根本就不可能發(fā)揮出
作用。金沙江上和怒江上的具有調(diào)蓄水資源能力的
龍頭水電站都還沒有建設(shè)起來。要解決水源的時空
分布不均的矛盾，主要是依靠建設(shè)這種具有大型龍．
頭水庫的水電站蓄水來解決。
3．2 西南大旱凸現(xiàn)目前的管理體制與開發(fā)方式的
問題
我國目前水電開發(fā)存在的普遍問題是小水電和
徑流式水電站開發(fā)的比較多，這雖能夠獲得一定的
清潔電力，但是卻無法有效的幫助解決水資源調(diào)控
的矛盾。西南地區(qū)水資源年內(nèi)的分配非常不均，沒
有一個很好的蓄水工程，很難做到年內(nèi)或者年際之
問的調(diào)節(jié)。而在大江大河上調(diào)控水資源所必需的大
型龍頭水庫的建設(shè)，往往又都是一些大型的水電工
程。這種具有重要的水資源調(diào)節(jié)作用的大型水電站
的開發(fā)．往往又存在投資大，淹沒范圍廣，生態(tài)損失
嚴(yán)重和移民人數(shù)眾多等難題。所以，大水電建設(shè)起
來的難度往往也就比較大。因此，今后在進(jìn)行水利
工程建設(shè)時應(yīng)轉(zhuǎn)變水利開發(fā)方式，即要注重小水電
的開發(fā)，又要兼顧大水電的建設(shè)，以應(yīng)對極端氣候引
發(fā)的極端干旱。
4 結(jié)語
在全球氣候變暖的大背景下，我國極端氣候引
起的干旱和持續(xù)強(qiáng)暴雨等極端事件呈上升趨勢，進(jìn)
而影響水利工程的規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行等方面。在極
端氣候頻次日趨增加的情況下。西南地區(qū)在水利工
程建設(shè)中應(yīng)改變其思路，必須全方位的加強(qiáng)水利設(shè)
施建設(shè)，不僅需要建設(shè)農(nóng)村的基礎(chǔ)水利設(shè)施，同時也
要加強(qiáng)大江大河上的龍頭水庫的建設(shè)，以應(yīng)對極端
干旱下正常的生活與生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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影響[J]．中國水利，2008，43(2)：39-42．
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石流災(zāi)害[J]．自然災(zāi)害學(xué)報，2005，14(2)：9-12．
[5]周錚．我國農(nóng)田水利工程建設(shè)嚴(yán)重滯后導(dǎo)致旱災(zāi)頻發(fā)
[N]．農(nóng)民日報，2009—12—16(1)．
(上接第20頁)
(8)該供水系統(tǒng)正式投入運(yùn)行之前應(yīng)對管道系
統(tǒng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，并對每級泵站進(jìn)行各種工況的水
錘試驗(yàn)，對各種水錘防護(hù)的閥門進(jìn)行調(diào)試和整定。
4_2 結(jié)論
通過前面的計算對比分析發(fā)現(xiàn)，對于在尾部具
有局部凸高點(diǎn)的系統(tǒng)，當(dāng)其在穩(wěn)態(tài)不能正常運(yùn)行時，
在其末端加調(diào)流閥，適當(dāng)?shù)膶⑵鋲毫ι呔涂梢员?
證系統(tǒng)的在穩(wěn)態(tài)的時候的正常運(yùn)行，而對于伴隨系
統(tǒng)事故停泵而產(chǎn)生的汽化，在合適的位置，布置尺寸
合理的單向調(diào)壓井，在此基礎(chǔ)上布置一定數(shù)量的注
氣微排閥，就可以有效的防止系統(tǒng)出現(xiàn)汽化，減小系
統(tǒng)的最小水錘壓力。為了防止系統(tǒng)在突然斷電停泵
過程中出現(xiàn)的比較大的水錘壓力．在水泵的出口干
管進(jìn)口裝設(shè)超壓泄壓閥還是很有必要的。由于水泵
運(yùn)行的工況可能比較多，為了滿足不同的運(yùn)行工況
下出現(xiàn)突然停泵事故時，泵水不倒流，水泵的出口應(yīng)
該裝設(shè)多功能水泵控制閥．從而保證系統(tǒng)的安全運(yùn)
行。
參考文獻(xiàn)：
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泵水錘計算分析[J]．武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1998，10
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的矢通量分裂法[J]．華中理工大學(xué)學(xué)報，1997，25(3)：
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研究[J]．水利學(xué)報，1995，7(3)：30—33．
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