长距离输水管网运行当中水锤计算的必要性

长距离输水管网运行当中水锤计算的必要性

马军

青海省贵德县自来水公司 811799

摘要：随着我国城镇化的不断推进，城市建迎来了高速发展，涉及到长距离输水的工程项目越来越多，水锤问题越来越受到重视。水锤对输水管网造成的损害很大，当出现管道破裂时，会加大输水量，影响管网稳定性；若造成大面积停水，则造成的社会影响巨大。本文从多角度分析了水锤对输水管网危害性，并根据研究结果对现阶段的水锤计算提出了改进建议。

关键词：输水 长距离 水锤计算

1.水锤形成原因

水锤是以水锤波的形式表现出来的。水锤波可以在输水管路中高速（最大可接近声速）传播。因为输水管道中的水无法再被挤压，当受到水锤波冲击时，增大了输水管道的压力，这就是水锤现象，水锤现象发生时通常还伴有比较大的撞击声。水锤在输水管网中通常由以下原因产生：

（1）阀门正常情况下的启闭和调节，阀门在误操作和异常故障时的启闭。

（2）泵房水泵正常或事故时的启动和停止。

（3）电机叶轮振动不规律。

（4）输水管网被淤泥等异物阻塞。

（5）输水管道中混入空气，形成气团。

（6）外部突然断电，泵房停止工作。

2.水锤的分类

在分类之前，先对常用的几个名词做一解释。

Ts :关阀历时，阀门全部闭合所需要的时间；

α:水锤波在压力管道中的传播速度；

μ:水锤相。水锤波在管道内穿行一次的时间，即μ= 。(L为管道总长)

水锤的具体分类及判别标准见表2.1

表2.1水锤的分类

3.水锤的破坏性分析

在长距离输水管道中，水锤造成的破坏主要有以下三点：

（1）水锤会使管道内的压力急剧升高，超过管道的设计压力，对管道的阀门甚至是水泵造成破坏；当水锤压力降低时，输水管网又会产生失稳现象。

（2）如果水泵的反转速度升高超过规定限值，或突然停止反转，会造成水泵电机永久性损害，导致电机转子变形，严重时会使电机联结轴破损，甚至断裂。

（3）水泵倒流时，输水管网的压力降低，供端水量减小，末端水压不足。

为保障末端供水正常，长距离输水管网压力通常较高。为避免突然关阀造成的损失，在工程设计阶段就需要对水锤进行计算，并采取相应防护措施，避免水锤的发生。图3.1为输水管道在正常工作时压力曲线。

图3.1输水管道在正常工作时压力曲线

如果不设计防护措施，当水泵因故障或误操作而紧急停车时，输水管道将面临压力激增的问题。从图3.2中可以看出，管道内的压力明显要比常态时增高，最高点的压强甚至会超过正常压强的2倍，这么大的压强，远远超过了管道的设计压力，一定会出现管道破损或爆裂，引发供水事故。

图3.2未采取水锤防护措施时管道压力图

突然关阀形成的水锤不仅对输水管道造成破坏，也会对水泵造成永久性损伤。从图3.3可以看出，当没有水锤防护措施时，因异常事件紧急停车时，泵房泵站处压力最高可达到 200m，这是水泵设计压力的2倍，而且这种冲击是循环往复的，如果不采取保护措施，对水泵的破坏还是相当严重的。

图3.3泵站处产生水锤时的压力波动曲线图

4.水锤分析计算方法

传统的水锤理论计算比较复杂繁琐，随着计算机技术的不断成熟，很多水锤计算问题可以依赖计算机处理，在软件中输入相关参数，通过仿真模拟实际输水管网情况，可以解决很大一部分水锤计算问题。这里着重介绍一下利用计算机技术的特征线法。特征线法将建立的特征方程求积分，可以将每一段管网的参数分别计算出来，有以下优点：

(1) 稳定性：利用微积分方程求解；

(2) 编制程序：将边界条件的复杂计算电算化；

(3)进行复杂系统的处理；

(4)具有较好的精度；

(5)编程容易，进行电脑运算；

(6)用表格展示结果，便于观测。

近年来，随着计算机程序的不断普及，特征线法的优势越来越明显，应用范围越来越广，被广大设计人员所青睐。

5.水锤计算的现状及建议

通过上文的分析，在长距离输水管网设计施工前，必须要进行水锤计算。通过调查研究，水锤计算目前还存在以下薄弱环节：

（1）采用计算机软件计算水锤时，都是按照理想情况下进行的，并没有考虑到管道内的气体问题。计算机软件在建模时无法输入气体参数，还需要研究人员进一步优化程序。

（2）在传统的水锤理论计算时，会忽略一些次要因素，比如水波的冲击力，认为水在冲击管道时，水波是没有损失的。但是通过观察多个长距离输水工程发现，水锤在冲击管道时是有能量损失的，而且对管道升压计算结果还是有影响的，所以水锤计算的程序还是需要更新。

（3）长距离输水管网的实验条件比较苛刻，能够做此类实验的场所较少，科研人员对这方面的投入还是相对较少。希望有条件的实验室能够多进行此类水锤研究实验，为长距离输水工程提供更多实验数据。

（4）水锤计算的仿真软件价格还是较高，大多数工程人员想要通过计算机软件进行水锤计算还是有很大难度，十分不利于输水管网工程的开展，也不利于城市建设的发展。希望能有更多的科研机构加大此方面的资金、技术投入，更加方便工程人员开展水锤计算。

（5）现阶段水锤计算结果多是用表格和曲线的形式展示，倘若能以动画的形式动态的展示出输水管道内因水锤造成的压力变化，给工程人员提供一目了然的结果，会更加方便工程人员对水锤防护措施的改进。

参考文献：

[1] 王学芳,叶宏开,汤荣铭,等. 工业管道中的水锤[M].北京:科学出版社,2015.

[2] 金锥, 姜乃昌,汪兴华,等.停泵水锤及其防护[M].第二版.北京: 中国建筑工业出版社,2004.

[3] 杨宝奎.长距离泵输水系统水锤分析与防护研究.[硕士学位论文].2007年5月.