长距离输液管道水击现象分析及处理措施研究

武玉梅

摘要：在对水击分析基本微分方程进行推导后，对我国现有长距离输液系统的存在的问题进行简单分析，并对水击防护的重要性及水击防护工程实际应用计算措施进行了详细归纳总结。最后，对神华乌海能源有限责任公司西来峰工业园区疏矸水管道水击事故处理手段进行了分析讨论。
关键词：长距离输液管道；水击现象；水击防护
无论是远距离调水输水工程，还是高水头、大参数、大容量的水电站工程设计，其最为关键技术之一就是如何通过有效措施控制好水流过渡过程，且在有压长距离输水管道中，水击现象又是其过渡调节过程中的一个非常典型且十分重要的形式和控制对象，只有在结合工程实际情况，深入研究整个过流过程水击传递衰减演变特性，才能形成完善合理的过流调节控制方案措施，以达到减小过流调节水击波振荡，保护输水系统中管道、机电设备、以及其它构建物的目的。在有压管道引水或输水系统中，会常常因管道上的阀门快速调节、水泵机组突然故障等导致过流管道中的动水压强特性发生急剧变化，引起异常水击现象发生。比如，在快速关闭管道中的闸阀或水轮发电机组导水叶的调节过程中，随着阀门开度角的不断调小，管道中的水流会由流量的减小其流速会快速减小，造成水流流量和动量间不能保持原有平衡而发生快速变化，在闸阀或导水叶控制机构调节过程中，控制机构上游部分的水压将会急剧升高，而下游部分(如水轮机尾水管处)的水压则会急剧降低；同理当快速开启闸阀或水轮发电机组导水叶时，控制机构上游侧过流压力将会急剧减小，而下游侧则会急剧上升。尤其在水电站、抽水泵站等有压引水或输水系统中，为达到满足水电站实时出力平衡或抽水水泵站供水负荷动态变化需求，通常需要调节管道中相应导水机构或阀门来完成对水流流量的动态调节，以获得最优调节性能。但如果在调节过程中，出现调节过快现象时，必然会引起有压引(输)水管道中的水流流速发生急剧变化，从而造成管道液体内部压强发生周期性交替升级变化，不规则液体压力直接作用在管道、阀门以及其它输水系统构配件上，会产生如反复锤击一样的效果，给整个系统安全运行带来巨大破坏。水击就是液体在有压管道中由于外部原因形成的有压非恒定流现象，其所产生的水击压强值，通常可以达到管道正常承受压力的几倍乃至几十倍，如果水击压力超过某些结构和机械设备最大耐压水平时，就会发生管道炸裂、设备损失等严重事故。所以在长距离输水（液）系统设计和实际运行过程中，必须进行详细的水击计算分析，以确定该系统中可能出现的最大和最小水击压强值，并有针对性的采取相应防止和削弱水击作用的综合措施方案，以提高整个系统综合运行性能水平就显得十分必要了。
1 水击分析基本微分方程
为了分析长距离引（输）水管道中水击过程，从实际输送流体中截取一个特征微元，结合质量守恒原理和牛顿第二定律，可以分别推导出该微分元的一维非恒定流的连续性方程和运动方程为：
                                          （1）
                              （2）
式（1）和（2）是对管道中微分元运动特性的描述，而在长距离有压管道中，液体所出现的水击现象中的弹性和惯性作用效应，是由液体的非恒定波动特性引发的，也就是说在分析水击现象时，必须将水击不同时间、不同断面等水力作用要素引入，从而构筑能够满足水击特性的基本微分控制方程。
1.1 连续性方程的推导
结合式（1），并考虑将液体过流断面面积A和液体密度均作为是坐标x和时间t的函数，即：，可以获得对应的液体压强急剧变化可引起的同断面液体密度改变特性。同时鉴于水的弹性系数很大，在常温下为，在压力变化公式简化过程中，可以忽略一些附属控制项，认为该项对水击过程没有任何影响，即可以获得水击过程的连续性方程为：
                              (3)
式中值为分析段管道与地平间的夹角大小，对于水平管道而言，自然可以得=0。在有压长距离输（引）水管道中，鉴于管道高程的沿程变化值与同距离水头变化值间相比较小，即:;加上已有索立生等研究人员研究成果表明：水击压力与管道安装倾斜角度间的干扰性不大，因此，在一般统计计算分析中可以取控制项=0,因此在进行水击初略估算和初步计算分析时，可以将式(3)简化为
                                        (4)
式（3）和式（4）是按照计算断面液体质量守恒定律推导出来的，是研究长距离输（引）水管道水击过程的典型连续性控制方程。式（3）、（4）式为同断面不同水击分析阶段所采取的水击连续性微分方程，主要决定在水击分析过程中是否考虑有压输液管道实际倾斜角度与内部液体压力水头对空间的一阶偏导数控制项。
1.2 运动方程的推导
在长距离有压输液管道中，为了分析内部水击运动特性，取一段典型输液管道分析断面构筑相应的计算模型如图1所示：

图1  有压输液管道水击现象典型计算模型
前面式（2）为一维非恒定流运动特性的基础推导控制方程，其针对不同系统还需进一步推导完善。在图1中，对于工程中常用的圆形输液管道而言，先定义：,,，并将这些控制参数代入式（2）可对应推导公式为：
                            （5）
由于实际过程中，管道中水击波是一个反复来回波动传播过程，式（5）中对应的附加阻力项中速度分子v2应改为，以保证水击计算过程中任何时刻水流所受到的摩阻力总与实际液体流速方向相反。考虑到水击过程中水击波沿程变化与演变过程变化间满足关系，加上管道摩擦阻力项对整个水击最大水击压强的影响因素不大，因此可以将式（5）简化为：
                                                (6)
在实际过程中，依据不同的计算目的阶段和计算对象，可以将长距离有压管道的水击特性表示为简化的基本微分方程组为：
连续性方程：
运动方程：

式（7）就是工程中常用的水击简化计算分析方程，主要忽略了有压输液管道沿程水头损失和管道对地平倾斜度的影响，在进行简单水击估算分析时可以大大减少计算量，其获得的计算结果几乎能够满足工程实际情况，同时该方程组是一个线性方程组，可以求其解析解，对于工程中发生的水击现象可以进行简单定型理论研究分析，以制定合理的降低水击效应的措施方案。
2 长距离有压输液管道存在问题分析
长距离有压输液管道是水、石油等能源合理调度分配的重要运输通道，是能源可持续发展的重要保证基础，但由于受当时建设技术水平和投资资金等因素的制约，我国现有的长距离有压输液管道中依然存在很多问题，直接影响到整个输液系统的高效稳定运行。
2.1 长距离输液事故较为严重
为了满足工农业生产发展的需要，建立跨流域、远距离、高参数、大流量的长距离输液工程已成为很多地区经济发展的重要战略措施。但由于各种因素的影响，在实际运行过程中，很多工程存在很多安全隐患。“宝鸡冯家山引水工程”是我国建设一个典型长距离城市引水工程，但由于在设计和施工过程中的一些外部因素的存在，给整个工程埋下巨大安全隐患，经常出现弃水事故。2009年2月15日，宝鸡市冯家山长距离引水工程发生了竣工后11年来的第12次泄漏事故，主要是由于水击造成供水管线上阀门井内膨节发生严重泄漏，直接造成宝鸡市大部分地区的居民供水发生中断。
2.2 供液系统可靠性较低
长距离输水是城市生产生活重要的基础设施之一，它不仅与人民日常生活息息相关，同时与城市基础建设和经济发展有着很大的直接联系。由于供液系统在设计时，没有充分考虑后期城市建设发展等因素，导致在高峰用水期，供水企业通常采用停水停液等措施，不仅降低了整个供液系统的运行可靠性，同时还由于停液带来了巨大的经济损失。因此，在构筑供液系统时，除了要考虑系统运行安全性外，还应考虑供液系统运行可靠性和经济性，并通过相应措施手段，最大程度的降低因缺液和停液带来的影响。
2.3 长距离输液系统管理水平较低
我国供液行业的综合自动化管理水平较国外一些发达国家还有很大的差距，不仅受到现行液体输送、分配等政策的制约，同时还与长距离输液系统相应基础自动化设备和调节监控设备缺乏等因素有关。对于我国这样的人口众多，人均能源占有率较低的发展中国家而言，实行输液、配液、用液科学管理、节约能源，是解决液体能源短缺刻不容缓的工作。
3 长距离输液管道水击防护重要性分析
在工程实际应用中，长距离输液系统采用“从泵到泵”的密闭有压输送方式，即在液体输送全程中通过泵与泵的中间纽带构筑一个统一的、连续的有压液体输送系统。在液体输送过程中，沿程中任一个水泵机组压力或流量发生变化，将会使整个输液系统全线压力和流量，在瞬间发生与水击波源相当程度的牵连波动，导致整个输液系统运行可靠性较低。若输液系统首站或某中间站突然发生非正常阀门启闭误动作或水泵机组非正常停机事故时，就会在整个长距离输液系统中发生严重水击现象。对于煤矿疏矸水管道系统而言，在同一条管道内输送采煤过程中从煤层中涌出的不同污质的污水。在煤炭矿井开采过程中，疏矸水管道系统主要向外输送地表渗透水及地下水层的水，这些水源会被砂泥颗粒、粉尘、溶解盐、煤炭颗粒、以及油脂等污染物污染，其输水管道中的所输送的疏矸水是一个时变物质。这些被污染且水质时变的污染水进人疏矸水输水泵时，输水泵的特性将发生突变，从而引发整个输水系统发生水击。水击强度以界面进入输水泵首端输水管道时最大，此后则随疏矸水密度变化的减弱而逐步减轻。水击时水击波沿疏矸水管道向外传播，不同输水段所产生的往返增压值迭加在输水系统原有液压上时，就会导致液压发生几倍乃至几十倍的放大，极易造成输水管道某些管段出现超压引起管道破裂、机电设备损坏等事故。由此可见，疏矸水输水系统发生水击时，其往返冲击的水击波将严重影响整个输水管道系统的正常运行，同时当管道发生破裂时，会发生疏矸水大量泄漏，极易造成严重环境污染，甚至会威胁到人畜等安全。因此，为了保证疏矸水输水管道在水击事故工况下不会造成危害，设计和实际事故处理过程中，应进行相应的水击模拟分析，并采取科学切实可行的安全保护措施，有针对性对疏矸水输水管道的事故工况作出相应及时的处理，提高整个输水系统运行经济可靠性。
4 疏矸水输水管道水击防护措施
长距离疏矸水输水管网的剧烈水击可能造成输水系统中的相关设施发生破坏，发生恶性的发水击事故。输水系统发生水击事故可能引发因素很多，如停电、运行人员误操作等。由于水击传播速度非常快、同时其演变过程相当复杂，因此，输水系统发生水击事故很难预警，也不能单一依靠人工操作完成对整个水击事故的处理。工程中最有效的水击防护手段就是依靠管道特性，构筑完善的水击保护控制系统，以提高整个输水系统运行可靠性。
4.1 水击波拦截
水击波拦截实际就是当输液系统发生水击事故时，通过采取快速关阀、停泵等手段制造新水击波，利用新水击波与原水击波相互重叠低效完成对水击波的拦截，避免其发生严重演变，破坏系统其它设备。在长距离输液管道设计和实际运行中，通常借助计算机SCADA系统，将水击波拦截性能作为相应的水击保护方案编制相应的程序，利用计算机自动判断形成对应水泵机组关闭策略，以完成对水击波的拦截，及时降低或消除水击危害。
4.2 泄压装置自动泄压保护
在疏矸水输水管道系统中设置自动泄压阀等装置，当水泵机组入口管道压力高于泄压阀设定值时，水泵机组入口泄压阀（通常称低压泄压阀）就会自动打开，将部分疏矸水泄入对应泄压容器中，使疏矸水输水泵入口压力降低到水泵机组正常值；当水泵机组入口压力低于原设定值时，水泵机组出口泄压阀（通常称高压泄压阀）就会自动打开，将部分疏矸水反送回水泵机组入口，将水泵机组入口压力提升到正常值，以维持整个输水系统压力平衡。
4.3 顺序停泵保护
为了降低水击对疏矸水输水系统的冲击，当系统检测到管道运行参数或泵站运行参数出现严重超限时，就要采取对应停泵措施。对于不同运行工况和要求，应结合工程实际情况，构筑完善的停泵保护顺序逻辑，尽量保证输水管道具有在瞬变过渡过程中平稳调节特性。
5 水击事故处理工程实例分析
神华乌海能源有限责任公司西来峰工业园区疏矸水管道全长6.5㎞，从公乌素煤矿二号井至西来峰工业园人工湖。二号井处设有水池和水泵房，用水泵加压将水送到人工湖，由水泵房随地形埋设D315管道到人工湖，由于地势复杂，管道沿线水平方向和垂直方向凹凸铺设。
工程2009年4月10日竣工后开始运行。运行中不断出现管道和弯头处断裂现象，累计有17次，在结合图纸和现场情况做出如下分析：
管道在水泵出口和人工湖入口处高差13米，管道沿途设有自动排气阀，但不是每个最高点都有，而且管线沿途水平方向和垂直方向凹凸不变，初步分析管道出现损坏是水击造成。
解决方法将水泵出口和入口用管道连通，连通管加阀门，水泵开启和停运时，先打开此阀门，再缓慢开进水管阀门启水泵。按照有序启停泵手段，有效解决了疏矸水管道水击事故。并且处理后，整个疏矸水输水系统具有良好运行工况。
参考文献
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