长距离有压排污管道水锤研究及防护

□文/王文辉 叶世火 刘学民

在有压力管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象称为水击或水锤。由于水锤的产生，使得管道中压力急剧增大至超过正常压力的几倍甚至十几倍，会引起管道的破裂，影响生产和生活。压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。水锤按产生的原因可分为关阀水锤、启泵水锤和停泵水锤；按产生水锤时管道水流状态可分为不出现水柱中断与出现水柱中断。

现有的研究分析中对城市长距离输水管道及重力流引水管道较多，而对污水管道的研究多数是在参考城市输水管道研究结果，设计研究资料较少。污水管道是城市管道系统的重要组成部分，分布在城市的各个角落。污水管道修复难度高，事故造成的环境危害大，在设计研究时，应综合考虑预算及技术因素，包括运行成本、概算、建设用地和地形条件等因素，以降低建设成本和运行风险。因此，为给设计提供有效的参考依据，使管道系统更好的运行，在长距离的排污管道设计研究中，对于管道中可能产生的水锤的计算与研究就显得格外重要。

1 水锤计算方法

管道中流体流动常以平均速度和水头作为基本变量，视为一维流动时其运动方程和连续性方程为

其中

式中：V为管道断面平均流速；H为水头；s为沿管轴线的轴向坐标；g为重力加速度；f为管壁摩擦因子；D为管道直径；ρf为流体密度；Kf为流体体积弹性模量；R为管道半径；uR为管壁的径向位移；P为平均流动压力；h为管道中心线相对任意基准面的高度。

水锤计算方法有很多种，常见的有解析法、图解法、电算法和简易算法。而对水击动态分析最为精确及可靠的方法应为特征线法数值解，现阶段应用最为广泛，其他方法如波图法、波特征法等都会减少数值解的确度，只计算了汇流节点处的结果，而特征线法则计算了节点以及沿着管线各处的结果，精确地捕捉住任何可能会被遗漏的重要变化，概念明确，可以计算复杂的边界条件，容易满足数值计算解收敛的稳定条件，具有计算精度高、稳定和易于应用于计算机进行计算的优点。

特征线方程允许在微分方程中保留非线性项。为对水锤偏微分方程进行数值计算，常将该方程转化为特殊的全微分方程，然后进行积分，就可以得到便于数值处理的有限差分方程。

应用长波假设理论并忽略管道的径向惯性；再采用Q/Af代替平均速度V，忽略泊松影响和惯性影响，式（1）、（2）可写为

式中：Af为管道过水断面面积；cf为管道中压力波的传播速度；Kf为可压缩流体的体积弹性模量；e为管道壁厚。

将流量Q和水头H视为基本变量，管道流动的基本控制方程可转化为两组常微分方程，分别表示正水锤（C+）和负水锤（C-）模型。则经推倒后Hin+1可表示为

其中

式中：Ci-1、Ci+1均为 tn时刻的函数。

2 水锤实例数值模拟计算分析

2.1 计算软件

Bent l ey Haestad HAMMER是一种功能强大但易于使用的软件，它能帮助工程师分析复杂的水泵系统和管网从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化，它所使用的就是特征线法原理计算水锤。HAMMER是一个在水、污水、工业和采矿系统中发生的水力瞬变现象（水锤）的精确计算和高级数字模拟器。为减少工作量，它简化了数据输入，使您能集中精力于观察、改进和快速专业地表达您的结果。HAMMER可以处理任何一个管道流体或系统的数学模型和状态模拟，还能够精确的仿真模拟一系列完整的水击瞬时现象，包括一些最需要精准数值计算的情况，它拥有一套复杂的算法来计算气穴的形成，并监看它的运动和破裂并且它的可靠数值计算引擎，可以在严谨的振荡理论和弹性理论之间无缝隙过渡，可以为各种水锤事件建立模拟。

2.2 计算对象

天津滨海工业区污水深海排放管道工程陆地管线长约12 km，海底管线长约19 km。泵站出水管采用单排D762×12.7mm焊接钢管。近期选用2台泵，单泵流量为625 m3/h(15 000 m3/d)，扬程为79 m。日常为单泵运行，排海管道系统流速约为0.4 m/s，为防止排海管道系统出现淤积，定期启动另一台泵运行，两泵运行时，排海管道系统流速约为0.9 m/s。远期水量达到60 000 m3/d时，采用四用一备。单泵流量为625 m3/h，扬程为146 m。泵站出水管沿途将穿越立交桥、河道、铁路以及防波堤，最后沿海床敷设。

2.3 计算工况及结果分析

水泵启动时，为减小水泵电动机的负荷，通常把出水阀门保持在关闭状态，而当水泵达到额定转速后，才逐渐打开出水阀门。在正常的水泵停机过程中，首先慢慢的关闭出水阀门，然后才切断供给水泵电动机的电源。水泵启动和正常停机的过程中产生的水力过渡一般由泵后阀门产生，而泵后阀门的缓慢打开或关闭，可以有效减小水力过渡的影响。但在事故水泵工况中，如突然断电引起的过渡过程通常是严重的，应该把管道设计的能承受这种工况引起的正压和负压。由于水泵的惯性一般比管道中液体的惯性小，因而断电后泵的转速降低。水泵的扬程和流量减小后，负压力波在出水管中向下传播，正压力波在吸水管中向上游传播。虽然这时水泵仍以正常方向旋转，但出水管中的流量急速地减小到零，然后反向流过水泵。由于反向水流，泵的转速迅速减小，瞬时停转，而后水泵反转，即水泵作为水轮机运行。随后，泵的反向转速增加，直到飞逸转速。伴随反向转速的增加，由于调节作用，通过泵的流量减小。于是，分别在出水管和吸水管中产生正压力波和负压力波。对于长距离输水管线，还应注意管线纵向局部高点可能产生真空和水柱分离的情况。在设计中，应该研究水柱分离的可能性，在必要的时候应该采取补救方法。

分别模拟其开泵水锤、事故停泵水锤和正常运行3种工况。根据设计选型确定的水泵，在水泵定义中输入其流量与扬程的对应关系，生成流量-扬程曲线。该曲线为水泵的重要参数，决定了水泵的运转特性。水泵在运行中，不同的流量有不同的运转效率，输入对应数值，产生流量与效率曲线。为减小管道发生水力过渡时产生的危害，在水泵后面往往配备液控缓闭阀。在事故发生时，通过缓慢的关闭阀门，有效减小管道水流因惯性前冲和水流倒流对水泵和管道的冲击，将最大升压控制在管道能够承受的范围。一般情况下，将液控缓闭阀设为两阶段关闭，即第一阶段快速关闭，如2～3 s快速关闭60%～70%，第二阶段缓慢关闭，如20～30 s关闭至 100%。在长距离输水管线中，一般在局部高点部位布设空气阀。在管道内发生波动时，产生的多余的空气需要通过空气阀排出，如果发生水柱分离，局部高点极易产生真空，这时就要通过空气阀补进空气，填充水流离开高点带来的真空破坏。空气阀对于空气的补充较为方便，快速，其在管道产生较小负压时能有效缓解水力过渡对管道的破坏。

由于线路长，沿线管道起伏变化大，原设计中每间隔1 km左右安装一个具有进排气功能的空气阀，使管道安全性能提高。在计算中，将空气阀设为无效，更好地反应出初始状态下管道压力大小。

在管路正常运行时，各支路均达到管路设计流量。其管路最大压力达到659 kPa，位于水泵支路汇合处。计算结果表明，稳态运行时，管道沿程压力整体局部减小，在起伏处局部增大，由此可见，管路稳态运行压力并不大。

在管路发生事故时需尽快关阀，而关阀太快则会引起较大的水锤压力，参考国内已有工程实例，将各处调流阀关闭方式设为900 s线性关闭，进行无防护措施工况的关阀水锤模拟。当关闭管线中部阀门以后，水锤波从阀门处沿正反两个方向传播，水锤波升压相互叠加，正压较小。当关闭陆上管线末端阀门时，水锤波叠加最大，且水下部分负压叠加，其断面最大水锤压力达到1 600 kPa以上。当将各处空气阀设为有效时，选取同样的工况，其最大水锤压力值均＜1 000 kPa，未超过稳态工况最大压力的1.5倍，满足设计要求。

3 水锤防护措施及建议

对于长距离有压排污系统，水锤防护措施有很多种，其根本方法有：降低管线水流流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资；管线布置时应尽量考虑避免出现驼峰或坡度剧变；通过计算模拟，尽量选用转动惯量较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤大小；可通过确定阀门的最优关闭时间及控制阀门关闭快慢以减小水机压力；比较软的管道材料压力波传递速度比硬管小，对于快速的流量降低，压力传递速度对于瞬变作用非常重要，改变管道材料对于消除水锤非常有效；设置水锤消除装置，如在水泵出口安装缓闭止回阀，隔一定距离安装恒速缓冲排气阀，在水泵出口或必要部位安装箱式双向调压塔等。

研究表明，控制管道系统的最低压力，减小负压，可设置调压井、空气罐、单向调压井、进气阀门等，而控制管道系统的最高压力，降低高压，可通过设置安全阀、预作用阀门、调压井等措施，控制安全压力的变化范围。

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