环状管网水锤计算校核的必要性

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摘要：随着城市规模的扩大，供水管网系统也越来越庞大。供水管网是现代化城市最重要的基础设施之一，也是城市供水系统的重要组成部分，相对的对供水管网工程的安全性要求也越来越高，然而城市供水管网有很多的弊端，爆裂事故时有发生。目前，长距离输水工程中的水锤危害已经受到了重视，对其分析计算研究也日益深入，而对于供水管网的水锤事故原因研究甚少。本文以连续流瞬变理论已经取得的研究成果为基础，重点研究供水管网中断流弥合水锤的危害及其防护措施。

关键词：供水管网 水锤 爆管 必要性

水是地球生物赖以存在的物质基础，同时也是人类生存及城市发展的首要条件，而水环境是城市发展所必须的生态条件，是人类社会存在和发展的必需品也是最大消费品，是城市景观与文化的重要组成部分。伴随着我国经济的发展，城市化进程的加快，供水事业的发达与否成为衡量城市发展进步的重要标志，理所当然的给水管网工程作为基础设施必定成为城市发展建设的首要任务，也成为与人类活动密切相关的所有生产活动的基础保障。

目前，市政环状管网的水力校核有最大时+消防、事故、最大时这三个方面，在这三个条件下的水量水压满足用户的供水要求，环状管网就完成初始设计。然而这三个条件的水力校核只是建立在稳态水力模型之上，但是在瞬态水力条件下的校核对于供水的安全性与可靠性非常有必要。因此，分析瞬态流变化机理，建立管网的水力瞬态工况下的模型，才能真正的实现给水管网系统运行过程的水力校核。

近年来，发生的城市供水爆管事故数量不断增加，造成水资源的严重浪费，处理爆管事故引起人们越来越多的重视，城市管网水锤分析已经成为新的研究课题。然而，因环状管网供水管道中水流流态的复杂性，无论分析计算还是各个管道之间的相互影响都成为分析瞬态流的难点。目前，长距离输水管线水锤分析已经日趋成熟，我们可以根据长距离输水的瞬态水力分析为基础，分析管网的瞬态流。以下就管道的爆管原因、危害和解决办法进行分析。

1供水管网中产生气体的原因

管网瞬态流发生事故而中断供水的原因主要也是排气不畅造成爆管，城市供水管网造成管道集气的原因有许多，例如：管道充水前期管道中的气体，管网中供水支管阀门的开启或关闭，管道中由于局部管段产生真空使得管道从排气阀中吸入的气体，天然水体中溶解的空气由于压力从水中以气泡的形式析出，因水的流动而聚集形成气泡或气囊从在管道中。

2气囊的存在对管道造成的危害

2.1动力消耗增加，浪费能源

管道中的气体在管道顶部随水流运动聚集形成气泡或气囊，随着相聚的气囊越来越多，越来越大，占据了原本水流通过的截面甚至切断了水流的连续运动，导致在该截面处流速变大，水头损失增加，使得管网供水能力下降，必须通过提高水泵扬程达到原本所需的水压或增开水泵补充水量的不足，这种情况下在无形中增加了动力运行的负担使得费用增高，也造成能源的不必要的浪费。

2.2 管道系统不稳定，容易引起爆管

上节中说了许多管道中空气的来源，管道在没有满管流的时候管道中存在有大量的气体，在管道刚开始充水或维修完充水时，为了防止管道中流速剧烈的变化引起水锤事故，空管道初期充水时的速度并不大，让管道上安装的排气装置有充足的时间排气，所以管道内的水流并不是像管道的满流形状成柱状而是像河渠呈现非满流的状态，当管道中的水量增加且流速加快时，水面有浪涌，气体也被水流压缩到管顶，随水量的增加管道中的水将要以满管流的状态流动时，管顶的气体被水面的浪涌分割成大气泡或大气囊的形式夹杂在水体中，这些气体因水流的作用聚集、分散、运动，而这些变化引起管道中水流流速的剧烈变化，流速的剧烈变化时的管道中的压力急剧升降，压力的波动发生水锤，导致管道爆裂或影响管道的使用寿命。

2.3管道注气产生启泵水锤

在很多输水管道中，管道检修或维护停水时为防止管道真空常用注入空气的方法，虽然简单有效，但是为下一次的充水带来许多麻烦，当下一次充水时由于管道中的流速比较高导致管道中的气体排不及时，管道充水的速度大于排气速度是的气体处于压缩的状态，在较高压力下的气囊运动引起的管道中的流速变化是无法估计的，很难得到控制，很容易造成水锤事故，这种水锤事故的往往很大。

2.4引起管道漏水、振动失稳

管道流速的变化使得气囊在管道中的被压缩，而气囊在管道中的易造成管道内部压力的升降，有可能压力的升降不大造不成管道的破裂，但是长期的振动使管道接口处松动甚至拔开，造成管道的损坏而漏水。气囊也可因占据水流的过水断面造成输水量下降，严重时阻断水流的连续性。

3 瞬时水力分析消除管道爆管现象

造成供水管道爆管的主要水利因素是管道中气水两相流的非稳定流的运动，因此通过分析非稳定流合理安装排气阀，高效平稳的排除管道中的气体是管道防爆的主要途径。如管道中动能变化太大引起的爆管等其他非稳定流因素也有可能引起爆管，因此，全面分析供水管道造成爆管的非稳定流因素，增加供水管网的可靠性，减少不必要的水资源浪费。

3.1制定合理的管网运行方案。城市管网供水系统许多都采用多水源的供水方案，既经济又保证供水可靠性，供水企业会根据用水工况对水源出水量进行优化调度。但是较大流量的变动会引起管网一些管段的压力波动，使管道中的气水两相流运动不稳定。因此，在管网非稳定流分析时要结合稳定运行时的管网优化调度方案，制定合理的运行方案，保证管网运行的安全可靠性。

3.2按照管网施工的实际管线及管网的存气条件，确定自动排气装置的位置，及时排净管道中的气体，消除管道运行中的断流水锤。

3.3在必要位置安装泄压保护装置。经过水力分析计算，确定管道上易出现压力动荡的管段，安装调压塔等泄压保护装置，以便超压时能及时自动泄压保护管道安全。

4结束语

综上所述，城市供水管网爆管主要是管道中的气水两相流非稳定因素引起的，平稳快速的排出管道中的气体是解决该问题的根本途径。而给水管网水力瞬变流的分析对减少城市供水事故，提高城市供水安全性有重要的意义，因此，管网水锤计算校核非常有必要。