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管線改造及調(diào)節(jié)水泵轉動慣量的長輸水管線水錘防護

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水錘防護分析
管線改造及調(diào)節(jié)水泵轉動慣量的
長輸水管線水錘防護
韓建軍唐迪王新亮
(大連市供水有限公司116021)
【摘要】對于首尾落差大的長距離輸水管線，傳統(tǒng)水錘防護設備難以經(jīng)濟地達到預期效果。本文分別以單線設
置單向調(diào)壓塔、單線調(diào)節(jié)水泵轉動慣量、雙線調(diào)節(jié)水泵轉動慣量的方式作為事故停泵水錘防護措施，模擬分析管線
水錘防護效果及方案經(jīng)濟程度，最終確定最優(yōu)水錘防護方案。結果表明：將單線輸水改為部分雙線輸水，并調(diào)節(jié)水
泵轉動慣量的水錘防護效果好并且最為經(jīng)濟，增加輸水管線數(shù)量并調(diào)節(jié)水泵轉動慣量對于長距離輸水管線水錘
防護既經(jīng)濟又有效，該方法是今后水錘防護措施的發(fā)展方向
【關鍵詞】長距離輸水水錘防護水錘模擬計算停泵水錘管線改造水泵轉動慣量
我國長距離輸水管線水錘防護設備價格昂貴，不適合
s—調(diào)壓塔內(nèi)浮球閥控制最高水位（常
大量使用。本研究結合工程實例，通過模擬計算長輸水管
數(shù))，m:
線傳統(tǒng)水錘防護管線改造水錘防護及調(diào)節(jié)水泵轉動慣量
Z—塔相對于基準面高度，m:
水錘防護方案，經(jīng)多方案技術經(jīng)濟比較后確定最優(yōu)水錘防
Q3—塔內(nèi)流量，m31s:
護方案。
△1—調(diào)壓塔出流時間，：
1水錘防護措施原理
F—塔斷面面積，m2。
本研究長距離輸水管線水錘防護措施有設置單向調(diào)
1.2水泵轉動慣量
壓塔調(diào)節(jié)水泵轉動慣量單線改建為雙線甲
轉動慣量
1.1單向調(diào)壓塔
GD2
(6)
計算公式為
J=Ag
Q+Q=Qe
()
-M反=J
d
()
d,
Qp=CA,√2g'H3-Hn
(2)
以上式中
水泵轉動慣量，kgm2
Ha=Snm+Z-3+3△
(3)
G—剛體的總重量，N
2F
D——(回轉)直徑，m
當H≤H,Q=0時
Q=(-H,+C2)/B
(4)
g—重力加速度，N/kg
Q2=(H,+Cn2)/B2
(5)
M反—機組軸上所受減速阻矩；
以上式中
Qn—流經(jīng)調(diào)壓塔前管內(nèi)流量，m31s:
小角減速度
d
Qe—流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量，m21s:
當發(fā)生停泵水錘時，機組轉子轉動慣量，越大，角減
Q—流出調(diào)壓塔流量，m3/s:
速度的絕對值越小，即機組轉速降低速度越慢，避免了管
C—調(diào)壓塔出口流量系數(shù)：
路中流速和水壓的急劇降低，改善了水力過渡過程中的壓
A,—補水短管的過流面積，m2
力猛烈波動狀況，從而達到停泵水錘防護的效果
H—調(diào)壓塔水位，m:
1.3單線改建為雙線
H—管中壓力，m
將原單線長輸水管線改建為雙線輸水，在一定程度上
·33·
水利建設與管理
2012年（增刊）
降低管線內(nèi)流速，當發(fā)生停泵水錘時，可起到水錘防護的
160
作用。
10
2水錘求解方法
120
本研究采用特征線法求解。水錘計算的特征差分
100
方程為
80
60
Q,=C,-C.H7
(8)
、
管頂標高
Qr=C.+C.Hr
(g)
承壓能力
20
測壓管水頭
Cr=Qu+C.Hu-CQuQul
(1o)
自由水頭
C.=Qe-C.Hu-CQnlQnl
(1m)
122+400122+500122+600122+700122+800122+900123+000123+100123+200
椎號
以上式中
C。=gA;
圖1管線穩(wěn)態(tài)運行狀況
C=2DA
3.2水泵防護方案比選
QQ—管道L1、12兩點的瞬態(tài)流量
在現(xiàn)有設備條件下，止回閥第一階段2.0s內(nèi)線性關
Ha、H2—管道L1、L2兩點的瞬態(tài)水頭；
閉80%·30s內(nèi)關閉100%。水錘防護效果見圖2。
C、C水錘特征沿程的特征參量
管國標高
C?！艿赖奶卣鞒?shù)；
200-
承壓能力
1.5信承壓建力
180
-10m壓力線
C—管道的摩阻性常數(shù)；
160-
最大水頭
最小水頭
g—重力加速度；
140-
a—水錘波速：
120-
100-
——管道的阻力系數(shù)：
At—選定時間步長；
D—管道直徑；
40
20-
A——管道過流面積
0
3水錘防護方案實例
-20
122+400122+500122+600122+700122+800122+900123+000123+100123+200123+300
3.1工程簡介
樁號
大伙房水庫輸水應急入連工程設計輸水流量90萬
圖2事故停泵水錘后果
m2d為泵送單管輸水，其中蓋州泵站設水泵6臺(4用2
分析可知：事故停泵后局部管線負壓嚴重，現(xiàn)有設備
備)。設2臺變頻調(diào)速水泵，4臺恒定水泵。水泵額定流
不能滿足水錘防護要求，有必要改建水錘防護方案
量為9375m3/h,揚程為106.12m。蓋州泵站前端水池水位
研究針對前述水錘防護措施制定多種水錘防護方案
為46m后端水池水位為142.84m兩水池間管線全長
進行計算比較
738.9m均為鋼管，承壓能力為1.2MPa管線直徑
3.2.1方案一（單線單向調(diào)壓塔）
為2800mm。
如圖3所示，該方案在原設計基礎上距管線末端
該管線首尾高差大，每臺水泵后設有一臺緩閉液控止
385m處增加單向調(diào)壓塔1個，直徑4m,水深30m最高水
回閥。管線上設計有g個直徑200mm的真空吸氣閥。
位122mDN1400管連接干管。事故停泵后，止回閥關閉
該工程穩(wěn)態(tài)計算結果見圖1。
時間為在2.0s關閉80%·30s關閉100%：隧洞入口前池
分析可知：全線靜壓均滿足承壓能力要求，管線承壓
起到調(diào)壓塔作用，蓄水100m3。
能力設計合理
計算結果見圖4。
·34·
韓建軍等/管線改造及調(diào)節(jié)水泵轉動慣量的長輸水管線水錘防護
水錘防護分析
160
承壓能力
管頂標高
200
15倍承壓能力
200
空氣位置
調(diào)塔位置
180
-10aml力線
0
140
最大水頭
160
最小水頭
管中心標高
140
40
120
120
少
100
100
80
毛
40
60
0
,
40
20
20
122+550
122+700
122+850
123+300
123+150
122+400122+5001224600122+700122+800122+900123+000123+100123+200123+300
樁號
柱號
圖5方案二事故停泵管道壓力
圖3方案一管線上的水錘防護設備
量為295kg·m2。根據(jù)前述的空氣閥布置方案，全線共設
管頂標高
計空氣閥井4處，每處安裝DN200的空氣閥2個，共計8
承壓能力
1.5信承壓能力
-10m壓力線
個DN200空氣閥：各水泵壓水管安裝液控緩閉止回閥1
最大水頭
160
經(jīng)小水頭
個，事故停泵后，止回閥動作為2s內(nèi)關閉80%30s內(nèi)全部
140
關閉。計算結果見圖6。
0
100
承壓能力
200
15信承壓能力
200
180
10m壓力線
最大水頭
150
150
最小水頭
管中心標高
140
120
120
20
100
122+400122+500122+600122+700122+800122+900123+-000123+100123+200123+300
100
臟號
0
圖4方案一事故停泵管道壓力
彩
分析可知：在該水錘防護設備方案下，事故停泵時管
0
,
線最大壓力約140m但仍小于1.5倍承壓能力，全線負壓
20
122+550
122+700
122+850
123+000
123+150
滿足要求
號
3.2.2方案二（單線調(diào)節(jié)水泵轉動慣量）
圖6方案三事故停泵管道壓力
該方案管線全線采用DN2800單線，事故停泵后，止
分析可知：事故停泵時管線全線最大壓力為172.1m
回閥關閉時間為在2.0s關閉80%30s關閉100%隧洞
小于管道的1.5倍承壓能力，全線負壓最大值為-2.0m
入口前池起到調(diào)壓塔作用，蓄水100m3。水泵機組轉動慣
滿足要求，水泵運行狀態(tài)以及泵后壓力滿足要求
量為470kg·m2。計算結果見圖5。
3.2.4方案四（雙線調(diào)節(jié)水泵轉動慣量為320kg·m2)
分析可知：在該水錘防護方案下，事故停泵時管線全
管線前端采用DN2200雙線計160m(在樁號122+
線最大壓力為143.0m,小于管道的1.5倍承壓能力，全線
662.7處合并)，其余采用DM2800單線，水泵機組轉動慣
負壓最大值為-2.6m滿足要求。
量為320kg·m2。根據(jù)前述的空氣閥布置方案，全線共設
3.2.3方案三（雙線調(diào)節(jié)水泵轉動慣量為295kg·m2)
計空氣閥井4處，每處安裝DN200的空氣閥2個，共計8
管線前端采用DN2200雙線計420m(在樁號122+
個DN200空氣閥：各水泵壓水管安裝液控緩閉止回閥1
924.7處合并)，其余采用DN2800單線，水泵機組轉動慣
個，事故停泵后，止回閥動作為2s內(nèi)關閉
(下轉第28頁)
·35·
水利建設與管理
2012年（增刊）
分析可知：事故停泵時全線最大壓力（自由水頭）均
未超出承壓能力，全線負壓滿足要求水泵轉速及水泵泵
240
管標高
220
承壓能力
后壓力滿足要求
200
1.5信承壓能力
-1m力線
Case6(多泵事故停機工況)水錘模擬計算
180
2.2.2.5
最大水頭
160
最小水頭
多泵事故停機極限為4臺水泵同時停機，在該極限工
140
況下水錘模擬計算結果見圖8。
120
100
分析可知：事故停泵時全線最大壓力（自由水頭）均
未超出承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵
60
后壓力滿足要求。
2.3方案優(yōu)選
根據(jù)上述計算結果可知，方案二能有效地起到水錘防
0+00015+00030H00045-00060+00075+00090+000105+000120+000
護的作用
板號
圖8Case5水錘模擬計算結果
3結論
通過分析事故停泵時，止回閥不延時和延時關閉，通
通過延時關閉泵后止回閥，能充分利用首端壓力罐的壓
過大量計算分析，對于通過壓力罐吸水起始端具有高壓
力，有效緩解事故停泵時水錘問題?！?
的長距離輸水管線來說，在設置水錘防護設備的基礎上，
(上接第35頁)80%30s內(nèi)全部關閉。計算結果見圖7。
水錘防護方案優(yōu)選表
比較
承壓能力
200
方案一
方案二
方案三
方案四
1.5倍承壓能力
方案
180
一m力
189
最大水頭
160
敬小水頭
水錘防護效
水錘防護效
水鋪防護效
水錘防護效
160
技術
管中心標高
果較差；水質(zhì)
果較好：水質(zhì)
果最好水質(zhì)
果較好；水質(zhì)
4
149
性能
2
易受污染
不易受污染
不易受污染
不易受污染
120
經(jīng)濟
109
性能
造價較高
造價最高
造價較低
造價最低
80
的
60
40
4結語
20
對于首尾落差大的長距離輸水管線，將單線改建為雙
0
線，通過調(diào)節(jié)管徑降低流速，并配合調(diào)節(jié)水泵轉動慣量，水
20
-20
122+550
122+700
122+850
123+H000
123+150
錘防護效果較為理想，工程造價較低，是今后長輸水管線
推號
水錘防護的發(fā)展方向。
圖7方案四事故停泵管道壓力
參考文獻
分析可知：事故停泵時管線全線最大壓力為136.2m*
1金錐停泵水錘及其防護，第2版北京：中國建筑工業(yè)
小于管道的1.5倍承壓能力，全線負壓最大值為-2.7m
出版社，20046-12.
2 YANG Yu Si'MA Xiao Yun'LI Xiao Yan.Analysis the impact of
滿足要求，水泵運行狀態(tài)以及泵后壓力滿足要求。
ware velocity on the calculation of pressure boost in water hammer
3.3方案優(yōu)選
of long-distance water pipelines c.International Symposium on
根據(jù)上述水錘防護方案（見下表），通過技術經(jīng)濟比
Water Resource and Environmental Protection IS WREP).2011
較后確定一個較優(yōu)的水錘防護方案
2943-2945.
綜合比較上述四個方案，方案四因其工程造價低設
3 ZHU Zuo Jin.Quasi-Characteristic method for KDV-Buragers
equations Acta Scientiarum Naturalium Universitatis of Sci-
備簡單最易于實施，最終被確定為最佳方案
ence and Technology of China'2004.27(4):8-12.
·28·

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