長距離有壓管道輸水停泵水錘防護措施分析

鄭 英，谷 峪

（山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100）

受地形、地質條件的限制，長距離有壓管道輸水工程沿線不可避免地存在陡坡、局部凸起及凹下。因此，在實際工況調節中，極易產生嚴重的水錘事故。為保障系統的安全運行，對長距離有壓管道輸水系統進行不利工況的水錘計算分析及防護措施研究至關重要。

1 實例分析

膠東調水工程高疃泵站至高位水池段輸水管線長度為4.708km，采用鋼管輸水，管徑為2000mm。高疃泵站設計流量5.5m3/s，安裝4臺800S65型雙吸離心泵，3用1備，其中2臺可調速運行，設計揚程為65.69m，水泵特性曲線如圖1所示。泵站前池運行水位為30.68m，最低運行水位為28.50m，最高運行水位31.68m；高位水池設計運行水位為87.53m，最低運行水位86.8m，最高運行水位93.5m。

圖1 水泵特性曲線

1．1 穩態計算

輸水工程的穩定運行狀態是瞬變過程計算的起始狀態，為了有效的分析瞬變過程，并制定合理的水錘防護措施，本文首先研究了輸水管道在設計工況下的穩態運行狀態。在設計工況下，1#水泵按照額定轉速運行，流量為1.92m3/s，2#、3#機組調頻運行，水泵轉速調整為額定工況轉速的0.99，其流量分別為1.79m3/s，沿線穩態運行的測壓管水頭如圖2所示，滿足沿線管道壓力要求。

圖2 設計工況下穩態運行的測壓管水頭圖

1．2 泵站事故停機，閥門拒動工況分析

對于水錘計算分析及其防護措施的研究是在設計工況穩定運行的基礎上，以泵站事故停泵、閥門拒動工況為例。模擬時間為2000s，通過模擬該工況的瞬變過程，得到其對應的水泵相對流量、相對轉速變化曲線以及管道沿線壓力包絡線分別如圖3、圖4所示。

圖3 泵站事故停機、閥門拒動工況下水泵相對流量與相對轉速變化曲線圖

圖4 泵站事故停機、閥門拒動工況下輸水管道沿線壓力包絡線圖

由圖3、圖4可知，水泵出現倒轉、倒流現象，約15.7s開始倒轉，最大相對倒轉轉速約為-1.061，最大相對倒流流量為-0.627，滿足設計規范要求。系統最大壓力為82.932m，滿足設計規范要求，最小壓力為-47.235m，不滿足要求。為保障系統安全運行，需研究輸水管線負壓防護措施。

1.3 事故停機，閥門拒動工況設置空氣閥水錘防護

由于泵站事故停機、閥門拒動出現了較大的負壓，會產生嚴重的斷流彌合水錘，威脅系統的安全運行，因此考慮在管線中增設空氣閥以消除負壓。

通過在最小壓力處增加進出氣口直徑為300mm，微量孔直徑為24.5mm的空氣閥，循環計算，直至最小壓力滿足設計需求。經計算，需在表1所示的位置布設空氣閥。增設空氣閥后，系統最小壓力為-5.638m，最大壓力壓力為72.363m，滿足安全運行要求，其沿線壓力包絡線如圖5所示。

分析表1中空氣閥的設置位置，可發現在地形起伏較小的樁號為0+000～3+400段，僅需在凸起位置適當的設置空氣閥即可，其間距約為1.5km；在地形較為陡峭的樁號為3+400～4+300段和4+700～4+800段，地形越緩，間距越大，約為300m，地形越陡，間距越小，約為60～160m。

表1 空氣閥布設位置表

圖5 泵站事故停機、閥門拒動工況下輸水管道設置空氣閥后沿線壓力包絡線

2 結論

本文以高疃泵站至高位水池段管道輸水工程事故停泵、閥門拒動工況為例，研究分析了空氣閥對于該工程的水錘防護效果，給出了系統最大水錘壓力、最小水錘壓力以及沿線極值包絡線。結果表明：在管線較為平順的區域間隔1.0～1.5km安裝一個空氣閥，在管線較為陡峭以及駝峰等處需增加空氣閥，且管線越陡、空氣閥設置間距越小。對于高疃泵站至高位水池段管道輸水系統，沿線設置11個空氣閥，可很好的消除管路中的負壓，防止管路中產生水柱分離。