长距离输水管道水力过渡过程中控制指标的探讨

孙江河，范 征

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

近年来为适应我国社会经济的发展要求，改变区域水资源分布不均的状况，大量的长距离输水工程相继开工建设，而且工程呈现“长距离、大流量、高水头”的特点。由于管线距离长、地形起伏大，在停泵或管线末端阀门关闭过渡过程中管线的压力会出现急剧波动和交替升降，对泵站和管道系统的运行安全造成危害。有关规范对过渡过程中的特性参数进行了规定，要求超过某个指标时必须采取防护措施以保证工程安全。在实际工程中，由于对规范的理解和判断不同，造成了工程设计中对水力过渡过程中产生危害的防护措施有两种：过度防护；防护不足。两者对工程的安全性和经济性产生了不同的影响。如何理解过渡过程中几个规定的控制指标，进而以经济的防护措施保证系统的安全是每一个工程必须重点考虑的问题之一。

1 水锤分析计算控制指标讨论

根据我国现行设计规范GB50265- 2010《泵站设计规范》、GB50013- 2006《室外给水设计规范》和CECS193∶2005《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》，总结出水锤分析计算涉及到的系统参数控制指标主要有以下三点：泵系统中水泵的反转速度及持续时间、输水系统最高压力、输水系统最低压力。

1.1 水泵反转速度及持续时间

GB50265- 2010中9.4.2条指出：“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min；立式机组在低于额定转速40%的持续时间不应超过2min”。

水泵反转速度实质上对是电动机反转速度的要求，在近几年的泵站工程设计中，由于水泵出口控制阀门基本选择具有两阶段关闭规律的阀门，水泵的反转速度和反转时间基本得到了良好的控制。若关闭规律无法使水泵出口最高压力升高控制在有效范围内，需考虑系统布设调压或泄压装置。

1.2 输水系统允许最高压力值探讨

1.2.1 对不同压力的概念认识

水泵出口额定压力：指水泵出口的工作压力，一般与泵站设计杨程或最大杨程对应的压力值相对应。GB50265- 2010中9.4.2条要求“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；输水系统任何部位不应出现水柱断裂”，停泵水锤的最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍是基于系统这一特性并充分考虑了水泵结构设计的要求确定的。

管道最大工作压力：指输水管道正常工作状态下作用在管内壁的最大持续运行压力，不包括水的波动压力。CECS193∶2005中6.1.4条要求“水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力”，可以理解为水锤压力的控制指标为恒定流状态下运行压力的1.3～1.5倍。

管道最大使用压力：指给水管道运行过程中作用在管内壁上的最大瞬时工作压力，一般是指管道发生水锤时的最大压力升高值。CECS193∶2005中4.3.5条要求“输水管道的最大使用压力，应经过水锤计算确定”。

管道公称压力：指管材在二级温度(20℃)时输水的工作压力。公称压力是为了设计、制造和使用方便规定的一种名义压力，也是管道设计选型采用的标准压力。CECS193∶2005中4.3.5条中要求“压力输水管道的公称压力应根据最大使用压力确定，其值应为最大使用压力加0.2～0.4MPa安全余量。当选用非金属管材时，安全余量可根据经验适当放大。”可见选择管道的公称压力一般应大于管道的最大使用压力。

管道试验压力：指管道在制造或安装过程中进行水压试验的控制压力。不同管材都有相应的制造、安装规范，其中均规定了相应的试验压力及保压时间。应根据不同的管材和对应的规范确定试验压力，管道的试验压力是最高的，一般均大于管道公称压力。

1.2.2 工程实践中有关问题的讨论

(1)合理选择管道公称压力。工程实践中部分设计人员往往在选择管道的公称压力时存在如下误区。一是公称压力选择偏低，一些项目不进行水锤分析计算直接采用最大工作压力乘以1.3～1.5系数的方法确定管道公称压力。造成管道公称压力选择偏低，发生瞬变流状态下最大水锤压力超标引发爆管的事故。二是公称压力选择过高，一些最大工作压力超过100m的高水头项目在进行了水锤分析计算后采用最大水锤压力乘以1.3～1.5系数的方法确定管道公称压力，造成管道公称压力选择过大，投资增加的现象。

(2)管道最大压力的控制指标。工程实践中，一般管道最大使用压力的控制指标是按照不超过1.3～1.5倍最大工作压力确定的，而管道实际能够承受的最大压力较此值仍有较大的富裕空间。原因是管道制造行业一般用公称压力代表管道的压力等级，工程设计时选择公称压力一般是高于管道最大使用压力的(规范要求增加0.2～0.4MPa安全余量)，而管道的试验压力又比管道公称压力高许多。根据目前的国内规范，管道选择公称压力时有两个指标，一是在管道最大使用压力的基础上增加0.2～0.4MPa安全余量(CECS193∶2005明确)，二是GB50013- 2006要求水锤压力值超过管道试验压力值时，必须采取消除水锤的措施。两个指标差距较大。在工程实践中一般选择第一种办法确定管道的公称压力。实践证明，只要如实的进行了水锤分析计算，并按规范通过保护措施在限制了最大水锤压力值的基础上预留一部分安全裕度，管道压力升高造成的爆管事故是可以得到控制的。

(3)管道水锤压力升高的防护。管道水锤防护措施的作用是保护管道不因承受压力过高而导致破坏。工程实践中，选择管道水锤压力升高的防护措施应与管道的承压能力协调一致，以避免造成管道承压能力富裕度过大，防护过度、投资增加。同时，防护措施设备需要选择能够有充分泄压作用的设备。通过工程实践，在常用的防护装置和设备中，调压塔是一种简单可靠的泄放压力装置，但高水头项目有时会增加投资并受地形和地质条件限制。采用泄压阀门时一般不建议采用大口径阀门，同时应充分考虑阀门的开启时间，其主要原因是水锤压力高峰值的到来速度快、时间短，阀门没有足够开启时间。

1.3 输水系统允许最低压力值探讨

泵站系统和管道输水系统中，对负压的控制是极为重要的指标。GB50013- 2006中7.1.4条要求“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。”即指出不出现负压，更不允许出现水柱分裂。在GB50265- 2010附录的9.4.2条文说明中表述为“为了减少输水系统工程费用，确保输水系统安全，应采取措施限制输水系统负压值，当负压值达到2m水柱时，宜装设真空破坏阀。”这意味着允许输水系统中出现一定的负压。

在长距离管道输水工程中负压的防护是非常普遍的，现行的国内规范中大多都不允许出现负压或将负压控制在2m水柱之内。但管道出现多大的负压会对管道产生破坏，或者不同材质的管道能够承受多大的负压值，在管道结构设计和工程设计中并没有明确的要求。对于管道制造企业遵循的标准中，管道的强度和刚度以及管道的压力试验考虑的基本是压力升高的承受能力，对于负压破坏缺乏必要的研究和实验手段。

管道负压控制指标的高低与防护措施的多少是有直接关系的，对于长距离输水管道，特别是地形起伏较大的项目，管道负压控制标准越高，其相关的防护措施越多，投资越大。对于如何确定管道负压的控制标准，应根据具体条件进行分析。

2 水锤案例计算及防护

2.1 工程概况

西北某供水工程管线剖面图如图1所示，管线总长10.1km，管径DN1400，管材为玻璃钢夹砂管，管线设计流量2.42m3/s，系统静扬程83m。单台水泵设计流量Q=1.22m3/s，设计扬程H=93m，额定转速990r/min，设计工况下2台泵同时运行。

图1 供水工程管线剖面图

2.2 事故停泵无防护措施工况

2台事故停泵无防护措施工况系统水力坡度线如图2所示。管路沿线多处负压严重，大部分地区甚至已产生汽化。

图2 事故停泵无防护措施工况系统水力坡度线

2.3 不同“控制指标”下的防护措施比较

本计算案例着重对比不同“输水系统最低压力”控制指标下不同防护措施的水锤分析计算。最低压力控制指标的选定直接影响水锤防护措施的选取：①若在事故停泵中允许系统出现一定程度的负压，则可选择空气阀等防护措施；②若规定在事故停泵中系统负压不能大于值达到2m水柱，则应选择单(双)向调压塔、空气罐等防护措施；③若进一步规定停泵过程中系统不能出现负压，则需增设空气阀、调压塔等防护措施。

2.3.1 工程实际及运行情况

在管路沿线共布设注气微排阀17处，每处2台，规格为DN150，进气口口径150mm，排气口口径10mm，桩号为：0+111.71、1+011.71、1+290、1+890、2+844、3+484、3+748、4+360、4+972、5+367.2、5+763.02、6+757.1、7+024.18、7+477.73、8+080、8+680、9+380；设单向调压塔一座，直径6m，初始水深8m，桩号为1+011.71；泵后控制阀的关阀规律为：0～5s线性关闭80%、5～35s线性关闭100%；在泵后控制阀阀后装设水机泄放阀，规格DN300，设定整定压力为115m。

事故停泵后水力过渡过程的计算结果如图3所示。由图3(b)可知，水泵倒流倒转状况良好，说明泵后控制阀的关闭规律合理有效。由图3(c)可知，管线最大压力为116.2m，出现在泵后阀门出口处，为系统稳态运行时最大压力的1.21倍。由图3(a)知，管线最小压力为-5.6m，管路沿线未出现汽化现象。

图3 事故停泵后水力过渡过程计算结果

根据实际工程的水锤防护措施布置情况，事故停泵工况下的水锤分析计算结果中最低压力值并不符合相关规范的规定。而在工程的实际运行中，因运行初期的不当操作及电源容量不足等原因，致使水泵多次突然失电，事故停泵工况多次发生。采取上述水锤防护措施，系统没有发生较严重的水锤破坏事故，如爆管、负压破坏等现象。

2.3.2 最低压力控制在-2m内

根据上节的计算结果，在上述防护措施的基础上增设3座单向调压塔，每座调压塔直径3m，初始液面高度8m，沿线共布设单向调压塔3座；同时，调整注气微排阀位置及数量，沿线布设16处注气微排阀，每处2台，规格为DN150，进气口口径150mm，排气口口径10mm。泵后控制阀的关阀规律为：0～5s线性关闭80%、5～35s线性关闭100%。在泵后控制阀阀后装设水机泄放阀，规格DN300，设定整定压力为115m。

图4 事故停泵后水力过渡过程计算结果

事故停泵后水力过渡过程的计算结果如图4所示。由图4(b)可知，水泵倒流倒转状况良好，说明泵后控制阀的关闭规律合理有效。由图4(c)可知，管线最大压力为123.5m，出现在泵后阀门出口处，为系统稳态运行时最大压力的1.28倍。由图4(a)知，管线最小压力为-1.9m，在控制标准-2m以内，管路沿线未出现汽化现象。

2.3.3 系统不允许出现负压

根据上节的计算结果，在防护措施的基础上再增设3座单项调压塔，每座调压塔直径3m，初始液面高度8m，沿线共布设单向调压塔6座；同时，调整注气微排阀位置及数量，沿线布设12处注气微排阀，每处2台，规格为DN150，进气口口径150mm，排气口口径10mm。泵后控制阀的关阀规律为：0～5s线性关闭80%、5～35s线性关闭100%。在泵后控制阀阀后装设水机泄放阀，规格DN300，设定整定压力为115m。

图5 事故停泵后水力过渡过程计算结果

事故停泵后水力过渡过程的计算结果图5所示。由图5(b)可知，水泵倒流倒转状况良好，说明泵后控制阀的关闭规律合理有效。由图5(c)可知，管线最大压力为116.8m，出现在泵后阀门出口处，为系统稳态运行时最大压力的1.22倍。由图5(a)知，管线最小压力为-0.5m，负压控制范围接近无负压。经多次计算知，因管线走势等原因，管线事故停泵水锤的负压控制只能接近于无负压，但并不能完全消除负压。

3 结论

长距离管道供水工程的水力过渡过程计算和管道防护方案的选择是一个比较复杂的课题。基于工程实例，综合安全性和经济性的考虑，在管道正压(压力升高值)和负压的控制中，规范的规定均是比较保守和偏于安全的。正压的控制指标与管道公称压力选择上还存在不对等，管道实验压力与公称压力、最高使用压力之间存在较大安全系数等问题；对于负压的控制，尚缺乏必要的实验研究，存在负压控制指标偏高的问题。根据多年管道输水工程实践的探索可以看出，管道供水系统可以承受一定的负压，管道系统控制负压的指标越高系统防护成本越高，运行管理难度越大。