西流灣電排水泵真空破壞方式探討

王德紅

（湖南正源水利水電工程監理有限公司 益陽市 413000）

馬騰飛

（益陽八百里工程建設監理有限公司 益陽市 413000）

電排是防旱排澇的重要水利設施。城區的電排更是擔負著一個城市區域水資源合理調配的重任，肩負著城區居民的飲用水、工業用水、城區污水以及夏季因暴雨產生的城市漬水的輸送，可見，電排的安全運行對人民的生產、生活非常重要。水泵運行時管道內時常產生真空，真空的存在影響著電排管道及壓力水箱的安全[1]，因此，解決好這一問題對電排的安全運行非常重要。本文就益陽市西流灣電排停機時排水管內產生的水錘現象進行分析，根據管內滯留真空引起的水錘現象提出相應的解決辦法，并就如何確保水泵安全運行進行探討。

1 電排現狀

益陽市西流灣電排位于赫山城區建設路與濱江路交叉處，西流灣排區的北端，資水河畔，西距益陽市一橋1.5km，是益陽市資江南岸西部主城區重要的一處外排機埠。受益范圍包括黃泥湖鄉和江家坪鄉的幾乎所有面積，以及市區的3個街道辦事處，200多家企業,受益人口大約15萬人[2]。

西流灣電排建于1994年，2004年改擴建，排漬機組1310kW、排污機組396kW，設計排漬流量為19.7m3/s、排污流量為1.1m3/s，西流灣電排主干排渠總長度為4.8km，寬度為4m，受益面積0.64萬hm2（9.58萬畝）,是一個集排漬、排污于一體的綜合型中型泵站。該站以“預防為主、科學調度、確保安全”的宗旨為防洪保安的指導方針，根據合理有序的“排水方案”排漬、排污。為確保城區的防洪安保和城區居民生活飲用水安全提供了強有力的保障，產生了巨大的社會、經濟和環境效益。

2 水泵管道產生真空的原因分析

2.1 水流環境影響

西流灣電排出水流道布置分為機排與自排兩部分。自排流道底板高程28.2m，分成高低兩區，低排區將現有電排出水流道（2.0m×2.5m）向內加長9.65m；高排區新建自排流道，長43.5m，斷面尺寸高2.5m，寬2.5m。

機排流道由壓力鋼管、壓力水箱、預制鋼筋混凝土管及鎮墩組成。5臺排漬泵分別由壓力鋼管引出后進入鎮墩，外接5根獨立的預制鋼筋混凝土管(Φ1.5m)，在外河面再次進入鎮墩后由閘閥控制排入外河；4臺排污泵由4根壓力鋼管匯集到壓力水箱（平面尺寸2.0m×3.15m）后，在壓力水箱東、北兩面分別設置閘閥對水流進行控制。

由于選址處水流流態較差，進水流道內水流表面流態紊亂進而形成渦流和回流，水流中形成渦流和回流后，增加了水力損失，同時將大量的氣體帶入泵體，降低了水泵的效率，甚至出現水泵汽蝕導致機組振動而無法工作的現象[3]。

2.2 輸水管結構變化影響

伸縮節更換前水泵的運行情況：西流灣電排排水管道較長，因安裝調整及補償管道長度的需要，在彎管下方20cm處設置了套管伸縮節，如圖1所示，并在伸縮節內管和外管之間填充了止水材料。水泵運行過程中，特別是開機、停機的幾分鐘內，管道的震動特別大，嚴重影響單位的工作環境，需要經常檢修維護，同時也不利于水泵系統的安全。

圖1 套管式伸縮節

更換伸縮節后水泵的運行情況:為了解決開關機時水泵管道震動的問題，電排站多次組織技術人員討論后決定將套管式伸縮節更換成波紋管伸縮節，如圖2所示。波紋管伸縮節在補償軸向位移的同時，又可以補償橫向位移或軸向和橫向的合成位移，其密閉性能好，壽命長。

圖2 波紋管伸縮節

套管式伸縮節更換為波紋管伸縮節之后，水泵開關機時管道的震動減小明顯，大大降低了檢修的頻率，改善了電排站的工作環境。但由于最初使用的套管式伸縮節的止水填充材料能夠滲入空氣，可以在水泵壓力出水管退水時有效破壞拍門后產生的真空，波紋伸縮節卻只能適應伸縮，不能補氣破壞真空，導致停機時重力下落的水體在真空作用下又向上反沖，由于慣性將拍門沖開后在外管道壓力作用下又迅速關閉，管內水體又在重力作用下退回，如此反復運動導致拍門不停的開關十余次，拍門開關時產生的錘擊力作用在墻體附近的一段壓力水管上，極易導致壓力水箱開裂，嚴重威脅水泵系統的安全。

3 解決辦法

為了解決水泵停機時管內產生真空進而引發水錘的問題，我們采取的改進措施是在拍門后設置口徑適當大小的止回閥[4][6]，如圖3所示。水泵正常運行時，輸水管上止回閥的閥門處于關閉狀態，對水流沒有任何影響，水泵關機時，通過外界和管內的壓力差閥門自動打開向管內補氣破壞管內真空，避免產生水錘現象。止回閥設置后其閥口徑選擇非常重要，口徑過大，由于真空破壞事件過短，則停機時拍門撞擊力便會很大，如果太小，又不能完全消除真空影響。

圖3 壓力水箱及輸水管

為了選擇口徑合適的止回閥，必須進行管道回流水量的計算。《<真空破壞器應用技術規程>編制內容介紹》中給出了回流水量的理論計算公式如下[5]：

結合GB50015《建筑給水排水設計規范》中的針對倒流防止器和真空破壞器的設計、施工、安裝和調試等內容，按照補氣流量大于水的回流量的規定，由頂形真空破壞器補氣流量表查得理論上可選用DN32管頂型真空破壞器。

為了確保真空破壞器的效果，我們進行了現場的實驗驗證。選取DN32管頂型真空破壞器做為固定的通氣閥，在3條同樣管徑的輸水管頂部開不同孔徑的孔洞，把3個DN32管頂型真空破壞器焊接在3個孔洞上，逐一開、關機觀察水泵及管道的運行情況，現場實際情況記錄如附表。

附表 不同孔洞直徑情況下水泵運行情況表

輸水管頂部孔洞直徑為20mm時，水泵停機吸氣時間較長，拍門過緩，水泵震動劇烈；輸水管頂部孔洞直徑為32mm時，水泵停機吸氣時間平均需要十幾秒，拍門聲正常，震動較小；輸水管頂部孔洞直徑為45mm時，水泵停機吸氣時間過短，拍門直接合死，水泵震動劇烈。經過反復的計算分析及模擬實驗，確定西流灣電排0.55m3/s的泵可以選用32 mm口徑的止回閥，停機吸氣時間十幾秒鐘，停機拍門撞擊聲較正常。

4 總結及建議

（1）對西流灣電排在停機時輸水管產生真空的原因作了重點分析，提出并驗證了相關的解決方案。西流灣電排水泵輸水管安裝的套管式伸縮節更換為波紋管伸縮節后由于沒有透氣性而引起水泵在停機時產生真空，需要安裝真空破壞器來消除。通過理論計算及現場試驗的分析，在水泵輸水管頂部安裝合適口徑的真空破壞器能避免水泵在停機時產生水錘，又能大大減小水泵在開關機時的震動。合適口徑真空破壞器的確定需要科學的計算與現場試驗相結合，如西流灣電排中管道通氣閥的孔徑應選擇32 mm為宜。

（2）建議。停泵水錘主要是因為出水管道止回閥關閉過快引起，因此，取消止回閥可以消除停泵的危害，并且可以減少水頭損失，節約能耗；取消止回閥時應進行停泵水錘壓力計算，為減少和消除水錘，可在大口徑管道上安裝微阻緩閉止回閥。也可以采用PLC自動控制系統，對機泵進行變頻調速控制，對整個供水泵房系統操作實行自動控制。

[1]楊遠東，鄧志光.停泵水錘計算及其防護措施[J].中國給水排水,2000，（05）.

[2]李望書.益陽西流灣電排提質改造必要性思考[J].企業研究，2012，（04）.

[3]劉光臨，劉梅清，匡許衡.長管道系統中的水錘及其防護研究[J].武漢水利電力大學學報,1986，（05）.

[4]徐宏光.真空破壞閥的設計原理及改進[J].電站系統工程，2010，（01）.

[5]萬水，張淼.《真空破壞器應用技術規程》編制內容介紹[J].給水排水，2011，（02）.

[6]劉觀燈.改進真空破壞閥結構設計的探討[J].農田水利與小水電，1984，（06）.