武玉梅

摘要：在對水擊分析基本微分方程進行推導后，對我國現有長距離輸液系統的存在的問題進行簡單分析，并對水擊防護的重要性及水擊防護工程實際應用計算措施進行了詳細歸納總結。最后，對神華烏海能源有限責任公司西來峰工業園區疏矸水管道水擊事故處理手段進行了分析討論。
關鍵詞：長距離輸液管道；水擊現象；水擊防護
無論是遠距離調水輸水工程，還是高水頭、大參數、大容量的水電站工程設計，其最為關鍵技術之一就是如何通過有效措施控制好水流過渡過程，且在有壓長距離輸水管道中，水擊現象又是其過渡調節過程中的一個非常典型且十分重要的形式和控制對象，只有在結合工程實際情況，深入研究整個過流過程水擊傳遞衰減演變特性，才能形成完善合理的過流調節控制方案措施，以達到減小過流調節水擊波振蕩，保護輸水系統中管道、機電設備、以及其它構建物的目的。在有壓管道引水或輸水系統中，會常常因管道上的閥門快速調節、水泵機組突然故障等導致過流管道中的動水壓強特性發生急劇變化，引起異常水擊現象發生。比如，在快速關閉管道中的閘閥或水輪發電機組導水葉的調節過程中，隨著閥門開度角的不斷調小，管道中的水流會由流量的減小其流速會快速減小，造成水流流量和動量間不能保持原有平衡而發生快速變化，在閘閥或導水葉控制機構調節過程中，控制機構上游部分的水壓將會急劇升高，而下游部分(如水輪機尾水管處)的水壓則會急劇降低；同理當快速開啟閘閥或水輪發電機組導水葉時，控制機構上游側過流壓力將會急劇減小，而下游側則會急劇上升。尤其在水電站、抽水泵站等有壓引水或輸水系統中，為達到滿足水電站實時出力平衡或抽水水泵站供水負荷動態變化需求，通常需要調節管道中相應導水機構或閥門來完成對水流流量的動態調節，以獲得最優調節性能。但如果在調節過程中，出現調節過快現象時，必然會引起有壓引(輸)水管道中的水流流速發生急劇變化，從而造成管道液體內部壓強發生周期性交替升級變化，不規則液體壓力直接作用在管道、閥門以及其它輸水系統構配件上，會產生如反復錘擊一樣的效果，給整個系統安全運行帶來巨大破壞。水擊就是液體在有壓管道中由于外部原因形成的有壓非恒定流現象，其所產生的水擊壓強值，通常可以達到管道正常承受壓力的幾倍乃至幾十倍，如果水擊壓力超過某些結構和機械設備最大耐壓水平時，就會發生管道炸裂、設備損失等嚴重事故。所以在長距離輸水（液）系統設計和實際運行過程中，必須進行詳細的水擊計算分析，以確定該系統中可能出現的最大和最小水擊壓強值，并有針對性的采取相應防止和削弱水擊作用的綜合措施方案，以提高整個系統綜合運行性能水平就顯得十分必要了。
1 水擊分析基本微分方程
為了分析長距離引（輸）水管道中水擊過程，從實際輸送流體中截取一個特征微元，結合質量守恒原理和牛頓第二定律，可以分別推導出該微分元的一維非恒定流的連續性方程和運動方程為：
                                          （1）
                              （2）
式（1）和（2）是對管道中微分元運動特性的描述，而在長距離有壓管道中，液體所出現的水擊現象中的彈性和慣性作用效應，是由液體的非恒定波動特性引發的，也就是說在分析水擊現象時，必須將水擊不同時間、不同斷面等水力作用要素引入，從而構筑能夠滿足水擊特性的基本微分控制方程。
1.1 連續性方程的推導
結合式（1），并考慮將液體過流斷面面積A和液體密度均作為是坐標x和時間t的函數，即：，可以獲得對應的液體壓強急劇變化可引起的同斷面液體密度改變特性。同時鑒于水的彈性系數很大，在常溫下為，在壓力變化公式簡化過程中，可以忽略一些附屬控制項，認為該項對水擊過程沒有任何影響，即可以獲得水擊過程的連續性方程為：
                              (3)
式中值為分析段管道與地平間的夾角大小，對于水平管道而言，自然可以得=0。在有壓長距離輸（引）水管道中，鑒于管道高程的沿程變化值與同距離水頭變化值間相比較小，即:;加上已有索立生等研究人員研究成果表明：水擊壓力與管道安裝傾斜角度間的干擾性不大，因此，在一般統計計算分析中可以取控制項=0,因此在進行水擊初略估算和初步計算分析時，可以將式(3)簡化為
                                        (4)
式（3）和式（4）是按照計算斷面液體質量守恒定律推導出來的，是研究長距離輸（引）水管道水擊過程的典型連續性控制方程。式（3）、（4）式為同斷面不同水擊分析階段所采取的水擊連續性微分方程，主要決定在水擊分析過程中是否考慮有壓輸液管道實際傾斜角度與內部液體壓力水頭對空間的一階偏導數控制項。
1.2 運動方程的推導
在長距離有壓輸液管道中，為了分析內部水擊運動特性，取一段典型輸液管道分析斷面構筑相應的計算模型如圖1所示：

圖1  有壓輸液管道水擊現象典型計算模型
前面式（2）為一維非恒定流運動特性的基礎推導控制方程，其針對不同系統還需進一步推導完善。在圖1中，對于工程中常用的圓形輸液管道而言，先定義：,,，并將這些控制參數代入式（2）可對應推導公式為：
                            （5）
由于實際過程中，管道中水擊波是一個反復來回波動傳播過程，式（5）中對應的附加阻力項中速度分子v2應改為，以保證水擊計算過程中任何時刻水流所受到的摩阻力總與實際液體流速方向相反。考慮到水擊過程中水擊波沿程變化與演變過程變化間滿足關系，加上管道摩擦阻力項對整個水擊最大水擊壓強的影響因素不大，因此可以將式（5）簡化為：
                                                (6)
在實際過程中，依據不同的計算目的階段和計算對象，可以將長距離有壓管道的水擊特性表示為簡化的基本微分方程組為：
連續性方程：
運動方程：

式（7）就是工程中常用的水擊簡化計算分析方程，主要忽略了有壓輸液管道沿程水頭損失和管道對地平傾斜度的影響，在進行簡單水擊估算分析時可以大大減少計算量，其獲得的計算結果幾乎能夠滿足工程實際情況，同時該方程組是一個線性方程組，可以求其解析解，對于工程中發生的水擊現象可以進行簡單定型理論研究分析，以制定合理的降低水擊效應的措施方案。
2 長距離有壓輸液管道存在問題分析
長距離有壓輸液管道是水、石油等能源合理調度分配的重要運輸通道，是能源可持續發展的重要保證基礎，但由于受當時建設技術水平和投資資金等因素的制約，我國現有的長距離有壓輸液管道中依然存在很多問題，直接影響到整個輸液系統的高效穩定運行。
2.1 長距離輸液事故較為嚴重
為了滿足工農業生產發展的需要，建立跨流域、遠距離、高參數、大流量的長距離輸液工程已成為很多地區經濟發展的重要戰略措施。但由于各種因素的影響，在實際運行過程中，很多工程存在很多安全隱患。“寶雞馮家山引水工程”是我國建設一個典型長距離城市引水工程，但由于在設計和施工過程中的一些外部因素的存在，給整個工程埋下巨大安全隱患，經常出現棄水事故。2009年2月15日，寶雞市馮家山長距離引水工程發生了竣工后11年來的第12次泄漏事故，主要是由于水擊造成供水管線上閥門井內膨節發生嚴重泄漏，直接造成寶雞市大部分地區的居民供水發生中斷。
2.2 供液系統可靠性較低
長距離輸水是城市生產生活重要的基礎設施之一，它不僅與人民日常生活息息相關，同時與城市基礎建設和經濟發展有著很大的直接聯系。由于供液系統在設計時，沒有充分考慮后期城市建設發展等因素，導致在高峰用水期，供水企業通常采用停水停液等措施，不僅降低了整個供液系統的運行可靠性，同時還由于停液帶來了巨大的經濟損失。因此，在構筑供液系統時，除了要考慮系統運行安全性外，還應考慮供液系統運行可靠性和經濟性，并通過相應措施手段，最大程度的降低因缺液和停液帶來的影響。
2.3 長距離輸液系統管理水平較低
我國供液行業的綜合自動化管理水平較國外一些發達國家還有很大的差距，不僅受到現行液體輸送、分配等政策的制約，同時還與長距離輸液系統相應基礎自動化設備和調節監控設備缺乏等因素有關。對于我國這樣的人口眾多，人均能源占有率較低的發展中國家而言，實行輸液、配液、用液科學管理、節約能源，是解決液體能源短缺刻不容緩的工作。
3 長距離輸液管道水擊防護重要性分析
在工程實際應用中，長距離輸液系統采用“從泵到泵”的密閉有壓輸送方式，即在液體輸送全程中通過泵與泵的中間紐帶構筑一個統一的、連續的有壓液體輸送系統。在液體輸送過程中，沿程中任一個水泵機組壓力或流量發生變化，將會使整個輸液系統全線壓力和流量，在瞬間發生與水擊波源相當程度的牽連波動，導致整個輸液系統運行可靠性較低。若輸液系統首站或某中間站突然發生非正常閥門啟閉誤動作或水泵機組非正常停機事故時，就會在整個長距離輸液系統中發生嚴重水擊現象。對于煤礦疏矸水管道系統而言，在同一條管道內輸送采煤過程中從煤層中涌出的不同污質的污水。在煤炭礦井開采過程中，疏矸水管道系統主要向外輸送地表滲透水及地下水層的水，這些水源會被砂泥顆粒、粉塵、溶解鹽、煤炭顆粒、以及油脂等污染物污染，其輸水管道中的所輸送的疏矸水是一個時變物質。這些被污染且水質時變的污染水進人疏矸水輸水泵時，輸水泵的特性將發生突變，從而引發整個輸水系統發生水擊。水擊強度以界面進入輸水泵首端輸水管道時最大，此后則隨疏矸水密度變化的減弱而逐步減輕。水擊時水擊波沿疏矸水管道向外傳播，不同輸水段所產生的往返增壓值迭加在輸水系統原有液壓上時，就會導致液壓發生幾倍乃至幾十倍的放大，極易造成輸水管道某些管段出現超壓引起管道破裂、機電設備損壞等事故。由此可見，疏矸水輸水系統發生水擊時，其往返沖擊的水擊波將嚴重影響整個輸水管道系統的正常運行，同時當管道發生破裂時，會發生疏矸水大量泄漏，極易造成嚴重環境污染，甚至會威脅到人畜等安全。因此，為了保證疏矸水輸水管道在水擊事故工況下不會造成危害，設計和實際事故處理過程中，應進行相應的水擊模擬分析，并采取科學切實可行的安全保護措施，有針對性對疏矸水輸水管道的事故工況作出相應及時的處理，提高整個輸水系統運行經濟可靠性。
4 疏矸水輸水管道水擊防護措施
長距離疏矸水輸水管網的劇烈水擊可能造成輸水系統中的相關設施發生破壞，發生惡性的發水擊事故。輸水系統發生水擊事故可能引發因素很多，如停電、運行人員誤操作等。由于水擊傳播速度非常快、同時其演變過程相當復雜，因此，輸水系統發生水擊事故很難預警，也不能單一依靠人工操作完成對整個水擊事故的處理。工程中最有效的水擊防護手段就是依靠管道特性，構筑完善的水擊保護控制系統，以提高整個輸水系統運行可靠性。
4.1 水擊波攔截
水擊波攔截實際就是當輸液系統發生水擊事故時，通過采取快速關閥、停泵等手段制造新水擊波，利用新水擊波與原水擊波相互重疊低效完成對水擊波的攔截，避免其發生嚴重演變，破壞系統其它設備。在長距離輸液管道設計和實際運行中，通常借助計算機SCADA系統，將水擊波攔截性能作為相應的水擊保護方案編制相應的程序，利用計算機自動判斷形成對應水泵機組關閉策略，以完成對水擊波的攔截，及時降低或消除水擊危害。
4.2 泄壓裝置自動泄壓保護
在疏矸水輸水管道系統中設置自動泄壓閥等裝置，當水泵機組入口管道壓力高于泄壓閥設定值時，水泵機組入口泄壓閥（通常稱低壓泄壓閥）就會自動打開，將部分疏矸水泄入對應泄壓容器中，使疏矸水輸水泵入口壓力降低到水泵機組正常值；當水泵機組入口壓力低于原設定值時，水泵機組出口泄壓閥（通常稱高壓泄壓閥）就會自動打開，將部分疏矸水反送回水泵機組入口，將水泵機組入口壓力提升到正常值，以維持整個輸水系統壓力平衡。
4.3 順序停泵保護
為了降低水擊對疏矸水輸水系統的沖擊，當系統檢測到管道運行參數或泵站運行參數出現嚴重超限時，就要采取對應停泵措施。對于不同運行工況和要求，應結合工程實際情況，構筑完善的停泵保護順序邏輯，盡量保證輸水管道具有在瞬變過渡過程中平穩調節特性。
5 水擊事故處理工程實例分析
神華烏海能源有限責任公司西來峰工業園區疏矸水管道全長6.5㎞，從公烏素煤礦二號井至西來峰工業園人工湖。二號井處設有水池和水泵房，用水泵加壓將水送到人工湖，由水泵房隨地形埋設D315管道到人工湖，由于地勢復雜，管道沿線水平方向和垂直方向凹凸鋪設。
工程2009年4月10日竣工后開始運行。運行中不斷出現管道和彎頭處斷裂現象，累計有17次，在結合圖紙和現場情況做出如下分析：
管道在水泵出口和人工湖入口處高差13米，管道沿途設有自動排氣閥，但不是每個最高點都有，而且管線沿途水平方向和垂直方向凹凸不變，初步分析管道出現損壞是水擊造成。
解決方法將水泵出口和入口用管道連通，連通管加閥門，水泵開啟和停運時，先打開此閥門，再緩慢開進水管閥門啟水泵。按照有序啟停泵手段，有效解決了疏矸水管道水擊事故。并且處理后，整個疏矸水輸水系統具有良好運行工況。
參考文獻
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