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淺析水錘現(xiàn)象對泵站和輸水管道的影響與防護(hù)

文檔作者：師俊萍文檔來源：渭南臨渭區(qū)渭北飲改水工程管理局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月30日
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上一篇：濕氣管道頂部腐蝕與防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

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淺析水錘現(xiàn)象對泵站和輸水管道的影響與防護(hù)
師俊萍
(渭南臨渭區(qū)渭北飲改水工程管理局陜西渭南714000)
摘要 因開泵、停泵、開關(guān)閘閥會使水的流度發(fā)生急劇變化，若壓強(qiáng)過高會引起管道破裂，而壓強(qiáng)過低
又會導(dǎo)致管道癟塌，甚至損壞閥門和固定件，因此預(yù)防水錘發(fā)生對水泵運(yùn)行與管理極為重要。本
文通過渭北安全飲水區(qū)具有代表性的東支線的侯家一南師水泵的水錘計(jì)算，分析水錘對水泵
和輸水管路產(chǎn)生的影響，并探索其預(yù)防措施，為其它泵站和輸水線路的運(yùn)行與管理提供參考。
關(guān)鍵詞 水泵；水錘；影響分析；防護(hù)措施
中圖分類號：IV674 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
1渭北安全飲水區(qū)基本情況 3相關(guān)參數(shù)的選定
渭北安全飲水區(qū)主要位于渭河以北
的官底鎮(zhèn)、下吉鎮(zhèn)、吝店鎮(zhèn)、憑信鄉(xiāng)、交斜
鎮(zhèn)、南師鄉(xiāng)、故市鎮(zhèn)、周家一帶，是臨渭區(qū)
糧棉油果菜等糧食和經(jīng)濟(jì)作物的主要產(chǎn)
區(qū)。為了使該區(qū)廣大群眾盡快飲用上千凈
衛(wèi)生的自來水，I臨渭區(qū)實(shí)施了渭北移民安
置區(qū)飲改水工程，工程規(guī)模為15421m3／d，
水源位于臨渭區(qū)龍背鄉(xiāng)永豐村附近，該區(qū)
供水系統(tǒng)分東、西兩條干管線，沿途加壓
并呈樹枝狀供水到163個(gè)自然村，鋪設(shè)輸
水管道48．5km，配水管道328．2km，村鎮(zhèn)
以下管網(wǎng)為83 km。該區(qū)西支線泵站包括
渭陽泵站、周家泵站、下吉泵站，東支線包
括南師泵站和侯家泵站，做好這些泵站的
安全運(yùn)行，關(guān)鍵要研究水泵產(chǎn)生的水錘現(xiàn)
象，這對輸水線路的管理與運(yùn)行顯得十分
重要。
2侯家一南師輸水管道水錘研究
思路
該輸水管是飲水區(qū)工程東支線的一條
重要輸水管道，因東支線侯家輸水管線沿
線高程變化較小，故對該管路進(jìn)行水錘計(jì)
算與分析具有典型代表作用。研究管道水
錘的主要內(nèi)容有：設(shè)計(jì)流量下的停泵水錘
計(jì)算分析，計(jì)算整個(gè)管路系統(tǒng)在只裝緩沖
排氣閥時(shí)的管路壓力變化情況，分別在關(guān)
閉緩閉止回閥閥門歷時(shí)120s、180s、360s的
情況下進(jìn)行管路壓力變化的研究。并結(jié)合
管線最大、最小水錘壓力包絡(luò)線，對本系統(tǒng)
在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的關(guān)閥水錘問題進(jìn)
行預(yù)測分析，最后確定該系統(tǒng)水泵關(guān)閉緩
閉止回閥閥門方案，并探索其水錘防護(hù)措
施，保證該系統(tǒng)水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
3．1東支線基本技術(shù)參數(shù)
東支線單管設(shè)計(jì)流量O．195m％。進(jìn)水
口水位為344．8m，輸水管末端出水口管軸
心標(biāo)高為354 111。該處泵站安裝單級單吸管
道離心泵KQL200／370—55／4(z)型共4臺。
其中3臺正常運(yùn)行，1臺作為備用水泵，供
水流量為196 m ，揚(yáng)程48m，配套電機(jī)
Y2—250M一2，P=55kW。KQL125／370—22／4型
共3臺，其中2臺為正常運(yùn)行設(shè)備，1臺為
備用，供水流量為56．4 m3／h，揚(yáng)程46m，配
套電機(jī)Y2—180M一2，P=22kW。水泵額定揚(yáng)
程為 =48m， 水泵額定流量為Q =
196m ／h，水泵額定效率為P =81％ ，水泵
額定轉(zhuǎn)速為NN=1480rpm／min，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣
量(J溈電機(jī)Jm：0．312kg·in 。
3．2水錘波傳播速度
根據(jù)水錘波速理論計(jì)算公式：
1 ．r 1
麗( + ) ：V—P 、／t+ ’
考慮管材為鋼筋混凝土管，體積彈性系數(shù)
K=2．1×lO~dm ，彈性模量E=2．1 x 10 ~pa，
水的密度p=10 N·s2／m4，K／E=0．1，混凝土管
道水錘波傳播速度a=8OOnds，鋼管為
1000m／s。
經(jīng)計(jì)算，鋼筋混凝土管道水錘波速為
a=600m／s。
3．3管道摩阻系數(shù)
傳統(tǒng)的水力摩阻系數(shù)大都是基于某一
特定的流態(tài)而導(dǎo)出的。為了滿足計(jì)算的需
要，我們假設(shè)管路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，利用達(dá)西一魏
斯巴赫公式計(jì)算管道摩阻系數(shù)：
，
2
寺苦
式中，卜一管長； 管徑；
一斷面平均流速；
一重力加速度；
A一沿程摩阻系數(shù)。
根據(jù)工程實(shí)際情況，管材為鋼筋混凝
土管道，管徑600mm，根據(jù)給排水設(shè)計(jì)手冊
中的管道摩阻計(jì)算公式，進(jìn)而得到此工程
的摩阻系數(shù)：單管流量為O．1947m3／s時(shí)，管
徑600ram的沿程水頭損失為0．615m／km。
3．4水錘計(jì)算與分析
水錘是管道流速變化帶來的壓力變
化，是以機(jī)械波的形式傳遞的。
水錘計(jì)算的公式：AH=AV X C／g
式中，△H——壓力升高；
△v——水流速度的變化率；
C—— 水錘波的波速；
g一重力加速度。
通過上述公式可以看出：水錘波速愈
大，在同樣水流速度變化的工況下，水錘就
愈大，即壓力變化也愈大。在實(shí)際當(dāng)中，機(jī)
械波f此時(shí)即壓力波)要小于理論值，它與管
道的彈性有關(guān)系，在鋼筋混凝土管道中則
為250 m／s～500m／s。在緩沖排氣閥閉合流
速確定的情況下研究其緩閉止回閥的關(guān)閥
時(shí)間，分析該管道產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，主要是
將水泵緩沖閉合流速分為O．3rrds和0．5m／s
兩種情況進(jìn)行分析對比，每種調(diào)節(jié)緩閉止
回閥快關(guān)分為10s和20s兩種情況，全關(guān)分
為120s、180s、360s三種情況分別考慮。
經(jīng)過計(jì)算與觀測，參照同類泵站相關(guān)
技術(shù)數(shù)據(jù)，查閱該時(shí)間點(diǎn)管中心樁線最高
包絡(luò)圖和最低包絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。
由表1可見，其緩沖閉合流速在
O．3m／s～O．5m／s內(nèi)任意取值，突然停泵時(shí)
管路前段升壓都比較大，調(diào)整緩閉止回
閥的關(guān)閻時(shí)間并不能控制水錘升壓。經(jīng)
過比選，在緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間為快
關(guān)20s、全關(guān)360s，其緩沖閉合流速為
0．5m／s的情況下，最高為652 m／s，最低為
340 m／s，升壓值較小。
1引言
基于DEM的丹東市河網(wǎng)信息提取
倪遠(yuǎn)臣
(遼寧省東港市友誼灌區(qū)管理處遼寧丹東118300)
摘要 數(shù)字高程模型在水文信息提取中有著很大優(yōu)勢，以ArcGlS為操作平臺，對丹東市DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行
水流方向確定、匯流計(jì)算，提取了丹東市河網(wǎng)信息，為河道研究提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞DEM；河流；水文信息
中圖分類號：1、，121+_7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
20世紀(jì)5O年代，美國麻省理工學(xué)院攝影
系主任c．L．Miller教授就計(jì)算機(jī)和攝影測量技
術(shù)的結(jié)合在計(jì)算機(jī)輔助道路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了
設(shè)計(jì)。在進(jìn)行土方計(jì)算和方案比選上顯示了
其優(yōu)勢，隨后他發(fā)表了題為：((The digital terrain
model：theory and application>)的論文，它標(biāo)志著
數(shù)字地面模型(DTM)的誕生，作為DTM其中
之一的數(shù)字高程模型DEM，在測繪、林業(yè)規(guī)
劃、地學(xué)分析等很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 。
因其包含了豐富的地形地貌信息和水文信
息，許多水文專家在河流研究領(lǐng)域也對其開
展了廣泛的研究。
中國是一個(gè)自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，洪災(zāi)在
我國幾乎每年都有發(fā)生，給我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、
生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)
損失。為了最大限度地避免洪災(zāi)造成的損失，
進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)具有很現(xiàn)實(shí)的意義。
目前，洪水預(yù)報(bào)最主要的方法是利用模型進(jìn)行
產(chǎn)匯流計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的不斷提
高、地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，利用數(shù)字高程
模型(DEM)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)已經(jīng)成為研究的熱
點(diǎn)方向 ”】。
河網(wǎng)信息的提取是洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)工作，
本研究將以遼寧省東港市為例，采用ESRI公
司開發(fā)的ArcGIS軟件中的水文分析模塊
(ArcHydroToo1)，在丹東市DEM數(shù)據(jù)上提取高
地區(qū)的河網(wǎng)信息。
2研究區(qū)域概況
丹東市位于遼寧省東南部， 面積
15222km ，人口243萬，與朝鮮民主主義人民
共和國隔江相望，是我國海岸線的北端起點(diǎn)，是
一個(gè)以工業(yè)、商貿(mào)、物流、旅游為主體的沿江、沿
海、延邊城市。丹東市年均降雨量為800mm～
1200mm，降水2／3集中在夏季，年平均氣溫南
部在8~C一9~C，北部6~C一7oc，受季風(fēng)影響，季
節(jié)變化明顯，四季分明，是北方地區(qū)降雨量最
多，最溫暖最濕潤的地區(qū)，素有“北方江南”之
稱。丹東地區(qū)江河密布，主要有鴨綠江水系、大
表1 ． 各時(shí)間點(diǎn)管中心樁線最高包絡(luò)圖和最低包絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)
I 流速 快關(guān)10s 全關(guān)120s 快關(guān)20s全關(guān)120s 快關(guān)lOs全關(guān)180s 快關(guān)20s全關(guān)180s 快關(guān)lOs全關(guān)360s 快關(guān)20s 全關(guān)360s
(m／s) 最高 最低 最高 最低 最高 最低 最高 最低 最高 最低 最高 最低
O3 638 340 635 335 648 342 665 340 635 338 646 339
0．5 635 340 645 345 649 338 668 342 638 340 652 340
4水錘防護(hù)方案的對比
4．1水錘防護(hù)方案的提出
從理論上講，減緩水在系統(tǒng)中的流速變
化，降低機(jī)械波的傳遞速度，系統(tǒng)中因事故工
況而產(chǎn)生的壓力變化就會減弱，水錘就能得
到控制 通過這個(gè)理論可以發(fā)現(xiàn)：防止水錘升
壓有三種途徑，一是排凈管道氣體，保證任何
狀態(tài)下都不產(chǎn)生氣囊運(yùn)動型斷流彌合水錘。
二是用氣壓罐及其同樣類型的穩(wěn)壓吸壓裝置
直接吸納或消滅水錘升壓波。三是用雙向調(diào)
壓塔吸收升壓波。
4．2水錘防護(hù)方案的優(yōu)化對比
方式一通過采用性能良好的恒速緩沖排
氣閥實(shí)現(xiàn)正常排氣。方式二造價(jià)甚高而在工
程上難于應(yīng)用，目前在國外的工程上應(yīng)用較
多，國內(nèi)工程應(yīng)用較少。方式三是將管道內(nèi)的
壓力降到規(guī)定范圍內(nèi)。從安全和經(jīng)濟(jì)方面考
慮，即在水泵出口處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，一
旦管道中壓力降低，調(diào)壓塔迅速向管道補(bǔ)水，
進(jìn)而防止管道中產(chǎn)生負(fù)壓；當(dāng)管路中水錘壓力
升高時(shí)，它允許高壓水流流人調(diào)壓塔中，從而
起到緩沖水錘升壓的作用。也就是在指定樁
號處安裝緩沖排氣閥，保證管路安全運(yùn)行，這
是一種兼具注水與泄(排)水緩沖式的水錘防
護(hù)設(shè)備。然而雙向調(diào)壓塔在工程應(yīng)用中也存
在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，即其高度必須高于等于其
設(shè)置處管道的最高水壓線。如果管道壓力很
高，就需要設(shè)置雙向調(diào)壓塔，但此時(shí)水壓線很
高，故雙向調(diào)壓塔也很高，常高達(dá)幾十米甚至
數(shù)百米，所以說要根據(jù)高點(diǎn)排氣的原理以及工
程經(jīng)驗(yàn)，在水泵出口處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，
4．3管道上水錘防護(hù)措施
在該管路中，每隔800m～1000m設(shè)立樁
號，在這些樁號安裝緩沖排氣閥，這樣就克服
了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，也做到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合
理，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的，所以通常選用
這種方式。
5結(jié)論
在候馬一南師管道現(xiàn)有的樁號分別安
裝l8個(gè)緩沖排氣閥，流速保持在O．5m／s，關(guān)
閥時(shí)間為快關(guān)20s、全關(guān)360s，這時(shí)水錘變
化相對較小，可以有效減少水錘的產(chǎn)生，但
是僅靠調(diào)整緩閉止回閥的關(guān)閥時(shí)間，并不能
徹底控制水錘升壓，在水泵出口處加裝箱式
雙向調(diào)壓塔，每隔800m～lO00m安裝緩沖
排氣閥，進(jìn)而有效控制水錘升壓，保證管道
運(yùn)行安全。陜西水利

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