長距離輸水管線事故停泵水錘防護方法分析

張毅鵬，劉梅清,2，劉志勇,2，吳遠為，薛 菲，梅 潔，榮志輝

(1.武漢大學 動力與機械學院, 湖北 武漢 430072；2.流體機械與動力工程裝備技術湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430072)

在長距離輸水系統中，水錘引發的管道中壓力升高在設計階段是一個重要的因素，在高揚程泵站中顯得尤為重要。為了保證輸水管線安全運行，在實際工程中，需要對輸水管線進行詳細的水錘計算分析，根據分析結果選擇經濟合理的水錘防護措施從而保證長距離輸水工程的安全運行[1]。調壓塔在水錘防護中是公認的最佳選擇之一，調壓塔可以在確保水錘防護效果的前提下降低自身安裝高度，它與緩沖恒速排氣閥的配合使用效果明顯，水錘升壓平穩，可控性較強，可以達到理想的水錘防護目的，值得推廣使用[2]。對于長距離輸水工程而言，綜合采用多種水錘防護措施往往比單獨采用一種措施具有更大的優勢，應根據具體情況首先分析水錘類型，再根據管路特點并結合各種水錘防護措施自身的優缺點，選擇既可以很好地預防水錘發生又經濟合理的最佳方案，更好更穩定地保證管道系統安全運行。

1 工程概況

泵站主供水管道管材為BCCP管(管道承壓≥1.0 MPa)，輸水距離為6 457.989 m。泵站供水確定安裝5臺單級雙吸中開臥式離心泵，其中設置4臺大泵和1臺小泵，運行方式為3臺大泵+1臺小泵，備用1臺大泵；泵站分為2個泵組，5排出水管道，泵組布置示意圖如圖1，其中：泵組1由2臺大泵組成，出水管道直徑為DN1400；泵組2由2臺大泵和1臺小泵組成，出水管道直徑為DN1 400；由于在供水系統中多以相同型號的水泵組合工作，不同型號的水泵組合并不多見，因此以圖1中泵組2兩臺大泵與一臺小泵的組合作為本文研究對象。

圖1 泵組布置示意圖Fig.1 Pump unit layout

根據泵站的大小泵組合布置方式及泵站供水流量需求，單臺供水大泵流量為0.92 m3/s，單臺小泵供水流量為0.46 m3/s，具體技術參數如表1所示。

表1 水泵技術參數表Tab.1 Pump Parameters

表2 泵站輸水系統特征水位 mTab.2 Water level of pumping station

圖2 泵站輸水系統管線縱剖面圖Fig.2 Profile of pipe

此輸水工程為高揚程泵站，輸水管道分布跨度大且多起伏，整個管道布置有一處明顯的高點，遭遇停泵水錘事故時極易發生斷流空腔再彌合水錘，因此，進行水錘防護計算是十分必要的。

2 常見的防護設備

空氣閥是主要用于阻止發生停泵水錘時因壓力降低產生負壓而導致水柱分離的特殊閥門，空氣閥一般安裝在輸水管線相對高點。空氣閥具有自動開啟或關閉的功能，當輸水管道內水錘發生而負壓出現時，空氣閥開啟，從而令空氣進入管道內，避免較低的負壓產生，發揮其作用保護管道系統；而由于溫度或壓力變化使管道內水中的空氣釋放出來時，空氣閥及時將其排出，防止管道中由于形成氣囊從而影響整個管道系統的安全運行[3]。在國內，輸水管道通常每隔700～800 m 設置安裝一處空氣閥，而國外，一般每隔500～600 m 設置安裝一處排氣閥。在實際工程中，應根據輸水管路水錘防護計算結合縱斷面高程的具體情況確定空氣閥的位置[4]。

單向調壓塔是防止在輸水管線產生負壓和減小斷流彌合水錘升壓過高比較經濟可靠的防護停泵水錘設備[5]。單向調壓塔在設計時，要求調壓塔有足夠的容積，能夠滿足防止主管內產生負壓過低引發的水柱分離所需的補給水量；而且單向調壓塔的最低水位需要有足夠的壓力，可以給主管補水，最高水位應既有足夠的補水量，又保證調壓塔結構經濟合理；補水管在補水過程中靠水體重力能夠保證其補水的速度。在水泵正常工作時，單向調壓塔注水管上的止回閥是關閉的；當發生停泵水錘并產生負壓低于設定的安全值時，其止回閥快速啟動，使大量的水迅速流向主管道，進而阻止整個管路系統出現過小負壓以及發生水錘壓力多處振蕩危害。

綜上所述，將單向調壓塔與空氣閥聯合使用可以將兩者的優勢結合，單向調壓塔在消除負壓的同時利用空氣閥排出管道的氣體降低彌合水錘發生的概率；空氣閥在運行過程中還可以將管道運行時原有的氣團排出，防止出現由于氣囊振蕩產生的正壓力。空氣閥和調壓塔均適用于長距離多起伏的輸水工程，很多工程也將這種組合作為防護方法之一。

3 結果與分析

3.1 恒定流計算

表3是當設計流量2.41 m3/s，2大泵1小泵運行，單排DN1400的壓力管道供水；BCCP管糙率取0.012；不同水位下的恒定流計算結果，水力坡度線如圖3所示。

表3 泵站輸水系統恒定流計算結果Tab.3 Calculation results of steady condition

圖3 泵站輸水系統恒定流水力坡度線及靜水壓力圖Fig.3 Steady hydraulic gradient line

從表3中可以看出，在不同的凈揚程下，大泵與小泵的工作點均位于設計點的右邊，實際工作流量大于設計流量。隨著運行水位的增加，水泵流量增加，揚程降低。

從圖3可以看出，在不同凈揚程條件下，沿線水力坡度線均位于管道中心線以上，各點均無負壓出現。管道內靜水壓力隨管中心高程增加而逐漸降低，管道末端壓力高于管道軸線1.61 m，沿線壓力值未超過管道的承壓能力。

3.2 無防護設施下的停泵水錘

針對輸水系統在最高凈揚程運行時的停泵水錘進行分析，水泵出口管道上都安裝了一個液控蝶閥，若閥門在事故停泵時無法及時關閉則不能保護水泵機組，在此工況下水泵突然斷電時停泵水錘計算結果如圖3所示。圖4中Hmax、Hmin、HGL、Z分別為最大測壓管水頭、最小測壓管水頭、初始測壓管水頭和管中心高程，圖4中h,ν,α,β分別為水泵的無量綱揚程、無量綱流量、無量綱轉速和無量綱轉矩，τ為液控蝶閥的水力開度[6]：

(1)

從圖4(a)、(b)中可以看出，在考慮液柱分離后，大泵在停泵后的12.16 s開始倒流，在停泵后的第19.12 s開始倒轉，大泵的最大倒轉轉速為其額定轉速的1.40倍；最大倒泄流量為額定流量的1.32倍；小泵在停泵后的0.25s開始倒流，在停泵后的第11.58 s開始倒轉，小泵的最大倒轉轉速為其額定轉速的1.42倍；最大倒泄流量為額定流量的1.27倍。兩泵的倒轉轉速雖未超過《泵站設計規范》規定的“離心泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍”要求，但是，也應確保停泵后泵出口閥的可靠關閉，一方面防止水泵長時間超速倒轉，另一方面防止出水管內的水大量倒流回進水池，造成水量和能量損失。由圖4(c)可以看出，管道中壓力沿管線低于管線高程，整個管道有負壓產生，這會導致液柱彌合水錘發生。由圖4(d)中可以看出，水泵出水母管起點的初始恒定流壓力為90.29 m，由于泵出口閥后發生液柱分離再彌合，出水母管起點壓力上升到停泵后最大水錘壓力157.63 m，管線中的最大水錘壓力為218.37 m，遠大于正常運行時的壓力，不滿足《泵站設計規范》規定的“最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求；管線大范圍出現汽化(按-8 m考慮，下同)，單個計算節點的最大汽化體積495.13 m3。

圖4 事故停泵過渡過程計算結果Fig.4 Calculation results of unsteady condition without any measures

3.3 蝶閥關閉規律的敏感性分析

當發生事故停泵導致輸水系統發生水錘現象時，需要及時關閉泵出口的液控蝶閥，通過擬定不同的閥門關閉規律，進行最高凈揚程，2大泵一小泵運行同時停，泵出口閥關閉條件下的事故停泵水錘計算，部分結果如表4所示。

表4 不同泵出口閥關閉規律下的事故停泵水錘計算結果Tab.4 Calculation results of unsteady condition using valve

根據表4的計算結果，可以看出，通過在水泵出口安裝液控蝶閥，管道內最大正壓力有明顯的改變，采用兩階段關閉規律后的管道壓力均小于采用線性關閉后的管道壓力值，管內負壓無明顯變化，均出現汽化現象，說明采用適當的關閥規律可以降低水錘正壓值，但是所有關閥規律下的管道正壓力不滿足“最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求，同時管道內出現汽化，這會引發液柱分離再彌合現象，導致二次水錘，使管內壓力進一步升高，因此需要在管線中采取其他措施進行壓力調節。

3.4 采用空氣閥的水錘防護

為了將管線中負壓過低引發的液柱分離消除并使最大負壓盡量控制在-5 m之內，同時有利于系統啟動過程中的排氣，按照空氣閥布置的基本要求并通過計算，擬在管線中布置9處口徑為DN200的空氣閥，其在管線上的安裝位置如圖5所示。

圖5 空氣閥安裝位置示意圖Fig.5 Air valves layout

擬定不同的泵出口關閉規律，進行最高凈揚程，2大泵運行同時停，設置空氣閥，泵出口閥關閉條件下的事故停泵水錘計算，計算參數與液控蝶閥防護方案相同，部分結果如表5所示。

表5為泵出口蝶閥與空氣閥聯合防護下的水錘計算結果，可以看出正壓下降明顯，表5中工況6相比于表4中工況6壓力下降了61.14 m，這是由于液柱分離引發的彌合水錘不再發生，然而這個壓力值遠高于正常運行時的壓力；沿線最小壓力水頭為-4.56 m，說明設置的空氣閥可以降低沿線負壓，但是由于排氣量有限，在部分計算工況下仍然出現汽化現象，從而導致管道正壓力升高。不同的關閥規律對管道壓力產生明顯影響，兩階段關閉規律要優于線性關閉的計算結果。但是根據表5的計算結果，可以看出，所有關閥規律下的最大壓力不滿足《泵站設計規范》規定的“最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求，因此還需要在管線中采取其他措施進行壓力調節。

表5 不同泵出口閥關閉規律下的事故停泵水錘計算結果Tab.5 Calculation results of unsteady condition using air valves

3.5 空氣閥與單向調壓塔聯合使用的水錘防護

為了降低負壓，消除事故停泵過程中發生的液柱分離現象，在增加空氣閥計算結果的基礎上，需要在管線中設置單向調壓塔，經計算并進行敏感性分析，調壓塔直徑取3.5 m，塔內水深為4.5 m，補水管直徑為0.6 m。單向調壓塔的位置選取與空氣閥類似，一般設置在管線中的局部高點處，在整個管線中只有兩處明顯的高點，樁號為GX1+548.283和GX5+600，對不同位置設置單向調壓塔的防護結果進行敏感性分析。考慮三種組合方案：①只在GX1+548.283設置；②只在GX5+600設置；③兩個位置同時設置；計算結果如表6所示。

表6 三種方案的計算結果Tab.6 Calculation results of different position using surge tank

由表6可以看出，三種組合的結果中，在樁號GX1+548.283起到了明顯的補水作用，管道中的壓力明顯降低，調壓塔內留有足夠的水位；在樁號GX5+600處設置的調壓塔無效，管線中的正壓與負壓沒有改善，塔內水位沒有發生變化，這是由于在負壓波傳播過程中，GX5+600之前的管線上已經安裝了空氣閥，空氣閥通過排氣已經將管道的負壓升高，此處的調壓塔已經不能發揮作用，因此選擇樁號GX1+548.283為調壓塔的安裝樁號。

在空氣閥與單向調壓塔聯合使用的情況下擬定不同的泵出口關閉規律，進行最高凈揚程，2大泵1小泵運行同時停，設單向調壓塔和空氣閥，泵出口閥關閉條件下的事故停泵水錘計算，計算參數與空氣閥+液控蝶閥防護方案相同，部分結果如表7所示。

表7 不同泵出口閥關閉規律下的事故停泵水錘計算結果Tab.7 Calculation results of unsteady condition using surge tank

從表7中可以看出，增加調壓塔后管道內正壓下降明顯，特別是采用了兩階段關閥規律后，表7中工況4相比于表5中工況4最大壓力下降了一倍；全管線負壓改善明顯，除了線性關閉規律，負壓都保持在-5 m以上，這也說明閥門的關閉規律對管道內正負壓力有明顯的影響；在進行選擇時，兩階段關閉規律要優于線性關閉，這是因為水泵在斷電后初期仍然處于正轉，此時閥門先以一定速度關閉，對水流形成阻力，當水流開始倒流時，閥門開始緩慢關閉，保證管道的壓力和流量逐漸減小。根據表7的計算結果，擬定泵出口閥的關閉規律為：大泵6 s/75°，60 s/15°兩階段關，小泵5 s/75°，45 s/15°兩階段關閉，計算結果如圖6所示。

從圖6(a)、(b)中可以看出，大泵在停泵后的9.09 s開始倒流，在停泵后的第15.42 s開始倒轉，大泵的最大倒轉轉速為其額定轉速的0.99倍，最大倒泄流量為額定流量的0.79倍；小泵在停泵后的0.25 s開始倒流，在停泵后的第10.90 s開始倒轉；以上參數均滿足《泵站設計規范》規定的“離心泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍”要求。從圖6(d)中可以看出，水泵出口母管的最大水錘壓力為107.24 m，該點的初始恒定流壓力為90.29 m，管線中的最大水錘壓力為107.24 m，滿足《泵站設計規范》規定的“最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求；管線中的最大負壓為-3.16 m，滿足“管線上最小壓力不應低于-5 m”的要求。從圖6(e)中可以看出，當管道內的壓力降至低于單向調壓塔內的水頭時，水從單向調壓塔流入管道，在補水過程完成后，單向調壓塔內留有1.34 m深的水體，留有足夠的安全裕量。當采取了調壓塔和空氣閥進行聯合防護后，整條管線水錘產生的壓力均控制在管道承受壓力(1.6 MPa)之內，對整個管線影響較小；除局部外整條管線基本無負壓，局部負壓也達不到汽化壓力，對管線不構成破壞。

圖6 事故停泵過渡過程計算結果Fig.6 Calculation results of unsteady condition using surge tank

4 結 論

本文主要針對高揚程長距離引水工程停泵水錘進行了計算和分析，根據無防護停泵水錘計算結果選用相應的防護措施進行防護，最后采用兩階段關閥規律與空氣閥、調壓塔的聯合水錘防護措施，能有效減小管線最大水錘壓力，防止管道中發生液柱分離及再彌合現象，避免汽化壓力出現，減小管道負壓段范圍，起到了較好的水錘防護效果，獲得可靠的防護方案，并獲得以下結論：

(1)對于高揚程多起伏長距離壓力輸水工程需要設置水錘防護措施，當發生事故停泵單獨采用一種措施往往達不到很好的防護效果，將空氣閥與單向調壓塔進行組合的防護措施具有明顯防護效果，可以將管線的壓力控制在規定的范圍內。

(2)泵出口閥門的關閉規律對管道內壓力的計算結果有較大影響，兩階段關閉規律的計算效果要優于線性關閉規律，通過優化閥門關閉速率，可以進一步減小管線最大水錘壓力，最終水泵出口閥的關閉速率選用兩階段關閉：大泵6 s快關75°，60 s慢關15°；小泵5 s快關75°，45 s慢關15°；水泵出口處安裝液控蝶閥可以有效地控制水泵的倒轉轉速及倒流時間從而保護水泵。

(3) 將單向調壓塔裝設在起伏管道的高點處，可有效提高起伏管道其他高點甚至整個管道的負壓及降低停泵水錘帶來的升壓，因此特別適用于長管道的泵系統。通過對典型工程的計算分析表明，單向調壓塔既可以防止負壓產生液柱分離，也可防止由于分離的水柱彌合而產生的水錘壓力升高；調壓塔應保證在正常工作時塔內水內水位不發生露底。因此調壓塔是一種經濟、安全、可靠的水錘防護措施。

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