1、长距离调水工程的水锤防护探讨 张张 健健 教授、博导教授、博导 河海大学水利水电学院河海大学水利水电学院 胡建永胡建永 讲师讲师 浙江水利水电学院浙江水利水电学院20142014年年1010月月 2汇报主要内容 3 4界定 5界定7 输配水 7.1 一般规定7.1.77.1.7 关于长距离输水工程的原则规定长距离输水工程尚未有确切的界定，因此本条内容适用范围是：城镇生活用水，输水形式为封闭式(管道或暗渠等)，并且一般指输水距离较长，断面较大，压力较高的工程。6国内典型的长距离调水工程工程名称供水区域所在地区多年平均调水量（亿m3/年）线路长度（km）引黄入晋太原、大同、朔州山西省12.0452
2、东深供水四期深圳、东莞、香港广东省24.2351.7南水北调东线黄淮海平原苏鲁冀津等87.661150南水北调中线华北地区鄂豫冀京津95.01276上海青草沙供水上海上海市31179上海黄浦江供水上海上海市17100辽宁大伙房二期沈阳、大连等7城市辽宁18.0261吉林引松供水吉林中部地区吉林省8.97263杭州千岛湖配水杭州及周边地市浙江省9.78111.5 7工程规模大，供水范围广 跨流域、长管线、多支线、大流量 多级泵站、大功率机组 8输水系统复杂，组成型式多样 隧洞、管道、箱涵、管渠（渡槽）结合、管隧结合 9独立输水系统，降低现有河（渠）道的利用 封闭式输水系统/密闭式有压输水系统 1
3、0水锤问题突出工程规模越来越大安全性要求越来越高 水锤防护越来越困难 安全性要求越来越高 输水系统日益复杂 11水锤问题突出 12 13水锤防护标准探讨 14机组运行的要求泵站设计规范（GB 50265-2010）城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程的要求与此一致。室外给水设计规范无明确要求。15管线运行的要求室外给水设计规范(GB50013-2006)泵站设计规范（GB 50265-2010）城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程最大压力 16管线运行的要求7.1.47.1.4 输水管道系统运行中，应保证在各种设计工况下，管道不出现负压。室外给水设计规范(GB50013-2006)泵站
4、设计规范（GB 50265-2010）城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程最小压力 17实际工程中的选用7.1.47.1.4 输水管道系统运行中，应保证在各种设计工况下，管道不出现负压。满足室外给水设计规范(GB50013-2006)满足泵站设计规范（GB 50265-2010）机组运行条件：管线最大压力：管线最小压力：满足城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程 18国外工程中的考虑国外各种专业协会和组织，例如，美国机械工程师协会，美国水务协会等根据事故发生的频率，把各种工况分为正常的、紧急的、事故的三种。各自都有标准和建议的安全系数。设计者应校核它们的特定应用情况，根据包括的工况以及推
5、荐的安全系数取不同参考值。正常情况正常情况：系统使用期内，很可能多次发生的某些工况被称为正常工况系统使用期内，很可能多次发生的某些工况被称为正常工况。为减轻严重的过渡过程须设置附属建筑物或其它装置（例如调压室、涌波抑制器、调压器和气阀），这些装置应在下述工况下按设计要求起应有的作用。以下工况列为正常工况1.全部扬程范围内的水泵手动或自动启动和停机工况。如果管道上不止一台水泵，则考虑全部水泵抽水断电的工况。对水泵的启动来说，只考虑同一时间启动一台水泵的工况。2.水泵附近如没有止回阀时，当上游水流一反向流动，立即停泵的工况。3.如果系统中没有止回阀，调压室时不会被排空而吸入空气、调压室也不溢流（设
6、有溢流坎情况除外）。4.如果系统中设有空气室，在水泵断电期间仍然具有一个最小的空气容积，使空气室能正常发挥作用。管道中的任何位置，在上述各工况下，都不应发生水柱分离。如果管道中可能会发生水柱分离，就应设置空气室、调压室等附属建筑物来防止其发生。如果这样做不现实或投资过多，为了使分离的水柱重新结合时的瞬态压力减至最小，应该设置专门的设备。对正常工况引起的瞬态压力，根据构件的抗裂强度，取适当的安全系数以防破坏，建议安全系数取为3。19紧急情况紧急情况紧急情况是指断电时，某一压力控制装置又失灵的情况。其工况包括：1.涌波抑制器、调压室或调压阀中某一装置或建筑物失灵的工况；2.延长了为截断反向水流通过
7、水泵而设置的止回阀的关闭时间，出现了最大反向水流的工况。3.系统中的进排气阀不起作用。工况发生概率非常小，根据极限抗裂强度或抗拉强度，建议安全系数取为2。国外工程中的考虑破坏情况破坏情况破坏工况是在最不利情况下，如像空气室中全部空气消失；阀门或闸门不正常地急速关闭或开启；泵轴折断等保护设备失灵的工况。在破坏工况中，任何一种发生的可能性都非常小，可根据极限抗裂强度或抗拉强度采用稍大于1的安全系数。20 空气阀应该设置管线的高处，不仅有助于管道的充水和放空，还可防止万一在管道低处引起破裂造成大段管路的破坏。此外，沿管道设置的阀门能够截断和排空管段，以便检查和维修等。如果设有该类阀门，其运行引起的过
8、渡过程应在最终设计时研究。单向调压井应该至少有两个出流管道（两个单向止回阀），这样将大大减小因单个止回阀拒动而使调压室不起作用的可能性。国外工程中的考虑 结论：1、不允许出现液柱分离与液柱弥合。2、须设多重水锤防护措施。21含摩阻的长距离调水系统直接水锤公式水锤防护措施探讨 22 将其与电站水力学中的极限水锤公式进行对比，不难发现二者形式完全一致，只是电站水力学中的水锤常数变为了1，二者相差一个系数，当忽略管道摩阻时，两个系数是一致的，表明了该式不仅适用与长距离调水系统，也可适用于电站输水系统。含摩阻的长距离调水系统间接水锤公式水锤防护措施探讨 23现有典型的水锤防护措施调压塔单向塔空气罐空气
9、阀水锤防护措施探讨 24韩国Kangbook泵站进水口处设置的三个49m气室，泵站管道流量为4.34m/s。水锤防护措施探讨 25现有典型的水锤防护措施减压阀阀门折线关闭惯性飞轮水锤防护措施探讨 26水锤防护措施探讨泵后降压公式泵后降压公式水泵全特性曲线 22hWH(x)qn0r0220rHHHWH(x)1Q(1)()tanxQ-D=+qtanxn20001222fQLaQfLQaCC()2 gDAgAgA2 gDA=+=+2r30r20QC1WH(x)(1)Htanx=+2422223123123230(C C2C)C C4C C C4C C HH212CHQC-D=27单向塔设置的理论方法
10、：以水锤波传播理论为基础，以事故停泵过程中的压力下降值为依据，以调水系统不出现负压为控制标准。理论设塔关系式：出口无负压理论设塔关系式：出口有负压水锤防护措施探讨 28)sin(coscos)sin(2/(AsAsPDPUPHTaHThxxX单向塔防护P PXDFHDHD水 平 线BLEHAHAHAXUhXPUXPDDUNIPIxxLx,1)sin(coscos)sin(2/,1AsAsDUNIIHTaHTxxLh水锤防护措施探讨 29单向塔设置的分析框图三步走：无调压措施分析 理论设塔方案分析 数值模拟复核优化已应用于青草沙、大伙房等调水工程水锤防护措施探讨 30空气阀设置的理论方法：情况一
11、：空气阀仅作为调水系统辅助的水锤防护措施空气阀设置间距判别依据关键：管线的携气能力水锤防护措施探讨 31空气阀设置的理论方法：情况一：空气阀仅作为调水系统辅助的水锤防护措施控制工况 进气口径：管线放空进气 排气口径：管线冲水排气空气阀进气口径空气阀排气口径水锤防护措施探讨 32空气阀设置的理论方法：情况二：空气阀作为调水系统主要的水锤防护措施 设置依据：负压控制在管道的最大允许负压Hcr之内 33水锤防护措施探讨空气阀防护)sin(coscos)sin(2/(crAsAsPDPUPHTaHTHLLL)sin(coscos)sin(2/(cos)sin(2/)()sin(cos)ncrDAsAs
12、AsAscrcrUAHTaHTHHTaHTHHHZHL（cos)sin(2/)sin(cos)(crcr1stAsAsUAHTaHTHZHHL 34空气罐运行参数近似解 空气罐防护2/LFTgf*0/LfZvgF*0LfHvgF001pml水锤防护措施探讨 35空气罐防护空气罐体型参数设置 01 0/LfvlgF020LfvHgF控制条件20120av LfVgH 1(1)TaVVaaTTVk VVk V2220200002210()()aaaav LfgVHm Hplm HpgVv Lf水锤防护措施探讨 36控制工况选择：常规：关阀工况、水泵失电工况 建议：适当考虑爆管工况 关注：水泵组合工
13、况 设有前池：泵站前池可能出现异常波动（涌浪叠加）设有调压室：泵站上游管线最大压力可能受涌浪控制水锤防护措施探讨 37 38总结 长距离调水工程的水锤问题复杂而重要，对其水力特性和水锤长距离调水工程的水锤问题复杂而重要，对其水力特性和水锤防护机理的认识还有待进一步深化。防护机理的认识还有待进一步深化。1 长距离调水工程的水锤控制标准、水锤防护措施的设置、控制长距离调水工程的水锤控制标准、水锤防护措施的设置、控制工况的选择等也值得进一步探讨。工况的选择等也值得进一步探讨。2 长距离调水工程多措施的联合水锤防护值得深入研究，新的水长距离调水工程多措施的联合水锤防护值得深入研究，新的水锤防护措施有待拓展。锤防护措施有待拓展。3 39请各位专家批评指正！
