BQ供水工程自压输水管道水锤防护措施浅析

2018-01-15党力群

陕西水利 2017年6期

关键词：静水压力输水管水锤

党力群

（陕西省西安水务（集团）李家河水库管理有限公司，陕西西安 710061）

0 前言

BQ供水工程利用地形高差，自压供水，输水管道为压力流。输水管道进口沉沙池水位446.2m，管道出口高程398.021m，高差68.179m，管线长12335.42m。采用双排管，一条备用，两条管中心距为1.2m。

供水规模W=2.1×104m3/d，输水管道设计流量Q=1300m3/h=0.361m3/s，管道全线采用DN600 mm预应力钢筋混凝土输水管，流速V=1.285m/s。

该输水管道工程由于管线长，地形高差大，静水压力大，为减小管道工作压力并保证管道安全运行，本文结合工程实际，对其水锤防护措施进行分析。

1 输水管道的水力计算

为了选管材、管径、压力及进行水锤消除及防护，管道需要进行水力计算。通常管道压力的确定，需计算下面几种工况压力，然后采用最大值。

1.1 输水管道通过设计流量时的测管水头

如前所述，该工程输水管道设计流量Q=0.361m3/s,全线采用DN600mm预应力钢筋混凝土输水管。用谢才公式进行管道水力计算，粗糙系数n=0.013，管道局部水头损失按沿程水头损失的10%计，水力坡降i=0.004013,整个管道总水头损失hw=49.50m，管末端水头为18.677m，要求管末端压力不小于5~10m水头，结果偏大。在设计流量时大部分管段工作压力为20～30m水头，管道压力偏高，长期作用对管道不利，如与水锤压力叠加，则压力更高。

当管道输水流量小于设计流量时，则水头损失减小，压力更高。

1.2 静水压力的计算

当关闭管道出口闸阀而停止供水时，管道全线要承受静水压力，管末端承受最大静水压力68.179m水头。静水压力比设计流量时动水压力大的多，管道位置越低越大，这对管道是不利的。

1.3 未采用水锤消除及防护措施时输水管道非稳定流压力计算结果

（1）直接水锤

如果末端阀门在27 s内关闭，经计算直接水锤升压值为117m水头，总压力为170m水头。

（2）间接水锤

一般电动阀门在3～5min内关闭，经计算间接水锤升压值为70m水头，总压力为98m水头。

（3）气爆型水锤分析

根据本系统管路走势，如在最不利点3+800处产生气爆型水锤，其最大冲击流速为2.4m/s，最大水锤升压值为220 m水头。安装性能好的排气阀可完全消除气爆。

2 输水管道系统正常运行时减压消能设计

2.1 减压消能方案的确定

由于该输水管道系统在设计状态运行时，有20～30 m的富余水头。当该输水管道系统关闭后静水压力还大，超过动水压力，管道压力大，既不经济也不安全，需要减压。采用合理的消能措施，对保证系统正常运行是非常必要的。

目前，水力系统常用的减压消能方法主要有两种，即消力池（减压池）和减压阀。前者为露天开敞式，占地面积大，管理不便，尤其是与下游流量不好调节配合；而减压阀减压消能则不增加占地面积，一次调整后无需管理，与下游流量易调节配合，且出水压力也可根据需要调整，造价低于消力池。故本系统减压消能方案采用减压阀。

2.2 减压阀减压消能设计

（1）减压阀位置确定

根据该输水管道的地形情况，管道进口端水位为466.2m，先经约0.7 km长缓坡，后急降，在4.8 km处管中心标高为420m，即4.1 km急降40多m，而后为缓坡地形。兼顾管道设计状态消能的水锤防护要求，减压阀选定位置桩号为3+783，规格为DN600mm,与输水管同径，以便安装及保持正常的输水能力。

（2）减压阀的类型选择

目前工程上应用的减压阀有比例式减压阀、活塞式减压阀、AD减压阀及减压恒压阀等。比例式减压阀出口压力不稳定且无法根据需要调节，故不适于本工程；活塞式减压阀过流能力小，水头损失大，无法保证流量及压力需要而不宜采用；AD减压阀一般仅适用于小管径（DN＜100mm）的输水管道系统；而减压恒压阀适用于大口径输水系统的减压消能，且具有不论流量和进口压力怎样变化，都能保持出水压力恒定的特点，且出水压力可方便地调整，故最适于本输水管道系统减压消能的需要。

但需要特别指出的是，选定减压阀尤其是规格大于DN400 mm时，不仅类型不能选错，而且应注意质量，个别生产或经销单位的产品，未掌握减压阀内紊流运动消能的原理及特性，动阀心结构设计不合理，在运行中振动剧烈，减压效果不稳定，给系统安全带来危险，也使阀门使用寿命降低。

（3）安装减压阀后输水管道运行水压的调节建议

当设计流量Q=1300m3/h时，如减压阀安装在3+783处，该处管道中心高程为425.41m，则阀前压力：

设定阀后压力h2=15m，则阀后压力线高程：

管末端中心高程为398.021m，则管末端水压力：

管末端压力在5～10m水头范围内，满足要求。

当管道流量Q=0时，则管道最大静水压力在减压阀进口处为466.2-425.41=40.79 m水头，管道末端出口压力为440.41-398.021=42.389m水头。当输水管道流量在0～1300m3/h之间时，管道压力介于上述两者之间。

3 输水管道排气及防断流空腔的水锤设计

大量工程实例证明，输水管道排气不畅极易产生气爆型水锤事故，危害极大。技术上要求输水管道在一般情况下每隔1.0 km左右设置一处排气阀，所以本设计在12.3 km长管道上设11处排气阀。

此外，分析本系统管道高程情况，如果在最不利3+800处发生气爆型水锤，最大冲击流速可达220m水头，因此，本输水管道排气通畅对管道安全运行是非常重要的。

3.1 各种排气方案比较

一般输水管道的排气方法主要有三种：即排气竖井、手动排气阀、自动排气阀。排气竖井造价甚高且管理不便，一般工程上很少采用；手动排气阀造价最低，但单独采用极不可靠，工程上仅作为辅助方法；自动排气阀是工程上最常用也是最科学的方法，本设计经分析选定此法，该方案可经济合理的满足

管道排气的需要，并具有防管道气堵和气爆型水锤的作用。

3.2 排气阀结构型式、口径选择

目前，国内外市场上，主要有三种类型排气阀：第一种为浮球式排气阀，第二种为杠杆浮球式排气阀；第三种为气缸式排气阀。浮球式排气阀结构简单，为最老式排气阀，但性能很差，很多输水管道安装这种排气阀后仍造成爆管事故；杠杆浮球式排气阀，有效排气口径较小，一般仅适用于主管道直径DN≤300mm的情况；气缸式排气阀具有良好的排气功能，有效排气口径大，同样排气压力下，其排气量是前两种排气阀的几十倍，且具缓闭功能，因此本设计选用气缸式排气阀，其型号为QSP10型全压高速排气阀。

根据有关技术资料，排气阀口径DN为管道直径的1/5～1/8，本设计取1/6，排气阀口径定为DN100mm。

4 充实水柱关阀水锤防护设计

由于本输水管道末端依靠电动蝶阀调节水量及关闭与开启，电动蝶阀一般关阀速度较快，且由于蝶阀关闭角度与其阻力系数是非线性的，本输水系统阀门关闭至65°前流量变化很小，而主要截流作用将发生在65°～80°的15°角范围内，如果调解流量操作不当，易发生快速关阀水锤，其升压值可能超过管道承压能力而使管道爆裂。

为保护管道安全，消减快速关阀产生的水锤压力峰值，本设计采用三处安装超压泄压阀进行保护，其位置如下：3+8009、9+486.68、11+516.72，规格为DN150mm。其释放压力分别整定为 0.54 MPa、0.40 MPa、0.42 MPa，可保证压力峰值不超过0.55MPa，对管道安全运行有较可靠的保护作用。