基于KY PIPE的管道输水工程停泵水锤分析及防护方案研究

当长距离有压输水工程因事故突然断电停泵时,易产生停泵水锤,危害输水系统的安全运行。为减轻停泵水锤对泵站等管道输水系统的危害,基于实际工程,使用KY PIPE 2022软件建立了相应的水锤计算模型,通过数值模拟探究输水系统停泵水锤水力过渡全过程,讨论了两阶段缓闭式止回阀不同关阀程序和气囊式空气罐不同布置方式对水锤防护效果的影响规律。结果表明,止回阀两阶段关阀程序优于线性关阀程序;对于管线前端负压较轻的输水工程,气囊式空气罐在管线中部串联布置相较于首尾布置有更好的经济性和可行性。气囊式空气罐、空气阀和两阶段缓闭式止回阀联合防护方案可有效抑制水泵倒转和水体倒流现象,有效控制管内最大正压和负压,使各项关键参数满足规范要求。     

长距离重力流输水工程首末两端阀门关阀方案研究

鉴于长距离重力流输水工程中由关阀引起的水锤问题威胁输水系统的安全,需要制定合理的关阀方案方能有效减小水锤的影响。以某长距离重力流输水工程为例,依据水锤计算基本原理,利用Bentley Hammer软件建立水锤计算模型,分别对管线首末两端阀门采用线性关闭、两阶段关闭2种关阀方案进行分析研究。结果表明,两阶段关阀方案明显优于线性关阀。首端阀门两阶段关闭时能够完全消除管线负压,更有利于工程的安全运行;末端阀门两阶段关闭时能有效降低水锤压力,减少关阀时间,提高系统响应速度,增加管道安全富裕度。     

阀门调节对水锤压力的控制效果对比研究

水锤作为输水工程中常见的安全性问题，往往由阀门非正常操作引起，因此有必要对比分析不同阀门调节方式下的水锤问题。通过CFD技术和动网格技术模拟了不同的单、双阀调节方式，分析了管道内不同位置处的水锤压力波动情况。结果表明，单阀调节时，先快后慢的关阀方式在一定的快关关闭量范围内对水锤有抑制作用，快关关闭量过大，即会起到恶化水锤的效果，快关量为60%时可对水锤压力进行有效控制，而快关量为80%时则会恶化水锤；双阀调节时，综合考虑两阀之前和两阀之间压力可发现同时采用“前0.25 s关60%,后0.25 s关40%”方式可避免过高压力及负压的出现。研究结果可为实际工程中阀门快速关断过程设计和操作方案提供参考。     

气垫调压室联合单向塔的停泵水锤防护研究

针对某长距离、大流量、高扬程泵站加压供水工程,对事故停泵进行模拟。结合工程地形特征,提出采用气垫调压室和单向塔联合防护的方法,并结合管道压力控制要求,对泵后阀门关闭规律及调压室阻抗孔径进行敏感性分析。结果表明,气垫调压室可有效防护停泵水锤及泵后阀快速关闭产生的关阀水锤,单向塔解决了气垫调压室持续补水导致的局部高点低压问题,保护了高点管段安全。联合防护方案可显著减小气垫调压室体积,节约工程成本。另外,泵后阀关闭规律及气垫调压室阻抗孔面积对管道的水锤压力影响较大,关阀过快或阻抗孔口面积过大会导致管道正压超标;关阀过慢或阻抗孔口面积过小会导致管道出现较大负压,具体工程需结合过渡过程模拟进行优化,对于本工程,经过模拟优化,阻抗孔口直径取0.8 m,泵后阀采用5 s直线关闭,结果可满足调保计算要求。     

长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响

针对长距离输水系统事故停泵后易导致水柱分离及产生具有破坏性的断流再弥合水锤的现象,建立了突然停泵管道系统气液两相水锤计算模型及其边界条件,并结合某工程实例,应用特征线法对采用注气微排阀和压力波动预制阀防护措施的防护效果进行数值模拟,对压力波动预止阀在不同开阀时间下管线的负压变化进行比较,得到通过采用延迟开阀时间可有效避免因压力波动预止阀的动作而引起的系统管路负压恶化发生汽化的结论,对装设有压力波动预止阀的输水系统的泵站水锤防护具有重要参考价值。     

停泵时泵后非瞬时降压的空气罐水锤防护方案

基于水泵停泵时的泵后非瞬时降压特性,给出了空气罐设置位置的选取原则和方法,结合工程算例,提出仅在管道中部设置空气罐防护方案和在管道中部开始串联设置空气罐防护方案,并通过数值模拟方法将这两种方案与常见的泵后设置空气罐防护方案进行水锤防护效果比较。结果表明,在防护效果相近的情况下,采用在管道中部开始串联设置空气罐的防护方案所需的空气罐容积最小,同时该方案下的罐内气体最大压力也相对较小,对空气罐的受力结构要求相对较低。在串联空气罐防护方案中,首端空气罐的主要作用是抑制管道压力降低,末端空气罐的主要作用是抑制管道压力升高。因此,在考虑串联空气罐的容积优化时,应结合输水系统水锤防护的实际需要,当输水管线的降压严重时,可考虑增大首端空气罐容积;当输水管线正压过大时,可考虑增大末端空气罐容积。     

西山供水工程事故停泵水力过渡过程计算及水锤防护

结合西山供水工程实例,依据水锤计算的基本原理和两阶段液控蝶阀、进排气阀、真空破坏阀、水泵转动惯量的边界条件建立数学模型,应用计算机对供水工程事故停泵工况进行水锤数值模拟分析,提出有针对性的水锤防护新思路。结果表明,在确定液控蝶阀第1阶段关闭时间和角度的情况下,最大正压、最大负压与第2阶段关阀时间分别呈负相关、正相关,且变化趋势逐渐趋于平缓;转动惯量的增加对此类工程设计水锤负压防护效果不明显;安装液控蝶阀、进排气阀后,采取安装真空破坏阀或对管线进行优化设计的方法可有效地对停泵水锤进行防护。该结果为西山供水工程设计水锤防护提供了理论指导,亦对其他短距离、高扬程供水工程的水锤防护具有较高的参考意义。     

新疆某供水工程停泵水锤计算与防护措施选择

鉴于新疆某工业供水工程采用二级泵站输水时输水管线长、地形起伏大、泵站扬程高等问题,水锤计算与防护对工程安全运行具有重要意义。采用带插值的特征线法,分别计算泵站在各种可能的初始条件下水泵发生事故停泵后,水泵出现的最大飞逸转速及管线最大水锤压力,分析了各种水锤防护措施,提出对一级泵站设一座单向调压塔,管道沿线设7处普通空气阀,泵出口阀采用两阶段关闭;对二级泵站布置二座单向调压塔,管道沿线共设15处普通空气阀,泵出口阀两阶段关闭;就可以降低水泵最大飞逸转速及管道压力等级,并消除水柱分离现象。     

长距离跨海管道供水工程的水锤防护研究

长距离、跨流域调水是重新分配水资源、缓解缺水地区水量需求的重要水利工程。针对长距离跨海管道供水工程,论证了常规水锤防护措施的适用性;基于特征线法建立跨海输水管道全线水锤计算模型,进行数值模拟研究,提出合理的防护措施,并结合实际供水工程加以验证。结果表明,管线长、扬程高、起伏大都是影响水力过渡过程的主要因素;常规的单一水锤防护措施,如空气阀、常规调压塔不能有效进行水锤防护。因此,考虑联合措施进行防护。实际工程应用表明增大泵组转动惯量并设置空气罐和单向补水塔时,防护效果最佳。     

长距离加压重力流输水工程水锤防护研究

针对高点前泵站加压、高点后重力自流的长距离供水工程，事故掉电时末端阀门采用一段直线关闭，为了满足压力控制标准需较长的关阀时间无形中加大了防护措施的规模、增加了投资。为此，采用折线关阀规律，在优化压力的同时减少防护措施体积，采用特征线法通过FORTRAN编程对各方案进行验算，并针对主要参数进行影响因素分析。实例应用结果表明，在保证压力符合要求的前提下相同关阀时间内折线关阀相比于直线关阀可减少防护措施体积、降低工程造价。     

空气阀的水锤防护性能及其在联合防护中的应用

输水工程中空气阀通过进排气来控制管道内的压力,管道内出现复杂的气液两相流过渡过程,其最大进气量和排气完毕后的弥合水锤限制了空气阀在水锤防护中的应用。通过对空气阀动作过程的分析,确定空气阀设置点的初始压力、最大降压量及空气阀的排气速度对其防护性能影响最大。在特征线法基础上用工程算例对不同位置的空气阀的进排气情况进行了对比分析,证实空气阀可以作为水锤防护的辅助措施和其他防护措施联合使用,承担一定的消减水锤的任务,并通过将空气阀布置在管道的后部来提高空气阀在水锤防护中的可靠性。     

高扬程输水系统泵后阀门关闭规律研究

对于扬程较高的输水系统，水泵抽水断电后产生的停泵水锤通常大于泵后阀门直接关闭产生的直接水锤。基于茹科夫斯基公式及水泵抽水断电的泵后降压规律，研究了泵后阀门关闭规律对输水管道沿线压力的影响，得到了水泵断电后泵后阀门最佳关闭时间的理论值，即T_g=T_d,并结合实际输水工程，采用数值模拟方法对该理论值进行了验证。结果表明，对于高扬程输水工程，水泵抽水断电后，泵后阀门采用提出的理论值可使停泵水锤对输水系统产生的危害最小。     

空气阀进排气流量系数对停泵水锤的敏感性研究

在长距离供水工程中,空气阀的进排气流量系数反映了空气的流通性和空气阀防护水锤的能力,而通常在对泵站水力过渡过程数值模拟的计算中将进排气流量系数取为定值。为了研究空气阀进排气流量系数对停泵水锤的影响,以某提黄灌溉工程为例,利用Visual Basic水锤计算软件模拟分析不同进排气流量系数组合下的停泵水锤值。结果表明,空气阀的进气流量系数越大,正压和负压绝对值越小,空气阀防护水锤的效果越好;排气流量系数太大或太小时,正压增大,适当偏小时水锤防护效果较好。     

长距离重力流输水系统水锤模拟及其防护研究

针对长距离重力流输水系统中的水锤防护问题,以山西省乡宁县县城重力流供水工程为背景,依据水锤计算的基本原理,建立水锤计算模型、末端调流调压阀边界条件及超压泄压阀边界条件,通过数值模拟计算,提出了重力流输水条件下的水锤防护新思路。根据输水管线的稳态运行情况,首先确定了输水管线在末端调流调压阀不同线性关闭方式下的水锤压力变化规律,得出阀门最优关闭时间为1 200s;其次,经优化计算,使用24个空气阀与2台超压泄压阀联合防护,可以确保工程安全运行。研究成果可为重力流工程设计提供参考。     

中小型常用闸阀采取液控缓闭装置的设想

中小型常用闸阀采取液控缓闭装置的设想目的,是想解决常用闸阀在开启工作后,因故电源突然中断,工作机械失去动力(如水泵),管路中的液体失去动力源将会快速倒流,安装于管路的闸阀在无操作电源时能实现两阶段关闭,即停电瞬间闸阀快速关闭2/3,余1/3缓慢关闭,既避免流体快速倒流损坏工作设备和动力设备;又避免快速关断水流发生水锤现象。实现用液控缓闭闸阀代替常用闸阀和缓闭蝶阀或逆止阀的目的。     

多功能水泵控制阀对短距离高扬程输水管线水锤防护效果的模拟研究

为了降低输水管道水锤事故的危害程度,针对石家庄市某旅游区输水管网现状,采用HAMMER软件模拟两阶段线性缓闭多功能水泵控制阀时管道内的压力数据变化,优化多功能水泵控制阀的参数设定,研究了多功能水泵控制阀不同的缓闭方案对输水管道水锤现象的防护效果。结果表明,多功能水泵控制阀在第一阶段5s缓闭90%开度、第二阶段90s缓闭100%开度时,管道内最高水锤压力线平稳下降,最低水锤压力线明显提升,在管道末端最大负压值为-3.2m,满足管道工作要求,可见多功能水泵控制阀合理的缓闭能有效对水锤进行防护。     

郭壁改扩建供水工程水力过渡的数值模拟

以山西省晋城市郭壁改扩建供水工程三级泵站为例,探索供水工程水锤安全防护措施。通过数值模拟发现,城镇机组中2台水泵并联运行发生停泵水锤时,泵站管道最大负压和水泵最大倒转转速均不满足《泵站设计规范》要求。结合设计单位推荐的水锤防护措施,通过对比优选方式提出两阶段液控蝶阀、空气阀、真空破坏阀的联合水锤防护方案。数值模拟结果表明,在该联合防护措施下郭壁改扩建供水工程三级泵站的相关水力参数均满足《泵站设计规范》要求,系统运行安全。     

高扬程输水系统空气罐阻抗孔尺寸优化

针对高扬程输水系统空气罐阻抗孔的尺寸影响水锤防护效果的问题,基于瞬变流理论,建立空气罐数学模型,分析了水泵抽水断电情况下阻抗孔尺寸对管道系统的最大、最小压力、空气罐内涌浪及气室压力等因素的影响,提出合理的阻抗孔尺寸选取条件,并结合工程实例进行了验证。结果表明,过小的阻抗孔口会导致泵站抽水断电时空气罐补水能力不足,产生水击穿室;过大的阻抗孔口,则会导致空气罐内涌浪幅度过大,发生漏空或过低的气室压力,均无法满足供水管道水锤防护要求,可见空气罐阻抗孔最佳尺寸应结合工程管道布置与水锤防护要求共同拟定。     

基于防水锤空气阀动态进排气系数数值模拟研究

在长距离输水管道水力过渡计算中，空气阀进排气系数多采用常量，为探究防水锤空气阀进排气系数对管道压力变化的影响，通过Fluent软件对DN100防水锤空气阀模拟得到-9～11 kPa的质量流量，并建立不同压差的动态进排气系数曲线，以西山一级提水泵站为例，对空气阀进排气系数分别采用动态值和固定值(均值0.55)进行过渡过程计算并对比分析。数值模拟结果表明，空气阀采用改进后的动态进排气系数对管道负压影响较小，对正压影响较大，且改进后的动态进排气系数有效降低了管道内的压力波动，在泵站实际运行中需关注管路正压变化并注意加强防护，水锤防护计算时应根据空气阀进排气实测资料进行计算，研究结果可为泵站运行中空气阀的水力过渡计算提供一些参考。     

长距离有压输水系统泵站前双向调压井水锤防护特性研究

双向调压井为输水系统水锤防护的有效措施，基于某水库工程长距离有压输水系统，采用特征线法进行停泵水锤计算，研究了泵站前设置非溢流式圆形截面双向调压井时不同调压井体型参数（竖井直径D、与管路的连接管径d）对管路水锤压力的影响。结果表明，管路沿程最大压力点水锤压力随D与d的增大而减小；水泵进口水锤压力ΔP₁主要与d有关，d越大ΔP₁越小，ΔP₂随D与d的增大而减小，ΔP₃随D的减小而增大，随d的增大而增大；泵后阀门出口停泵水锤压力主要与d有关，d越大阀门出口压力下降越低，随后在发生倒流时升压越大；并根据调压井涌波水位的变化规律进一步提出变截面调压井体型。