空氣罐敏感性參數對泵站水錘防護效果研究

李琨 吳建華 孫一鳴

摘 要：為探究空氣罐對泵站水錘的防護效果，以北方某泵站工程為背景，根據水錘計算基本原理，建立空氣罐數學模型，通過數值模擬泵站發生停泵水錘時無閥防護、液控蝶閥、液控蝶閥+空氣閥、液控蝶閥+空氣閥+空氣罐聯合防護工況下水錘壓力水頭變化規律，提出利用液控蝶閥+空氣閥+一定體積的空氣罐聯合防護泵站水錘的新思路。通過進一步模擬空氣罐高度直徑比、初始氣體壓力水頭對水錘防護效果的影響，得出了綜合消除水錘最優方案為高度直徑比為3、初始氣體壓力水頭為60 m時，水錘防護效果最優。

關鍵詞：水錘;負壓;空氣罐;高度直徑比;初始氣體壓力水頭;泵站

Abstract：In order to explore the protective effect of air tank to pump water hammer， taking a pumping station project in the north as the background and according to the basic principles of water hammer calculation， the mathematical model of the air tank was built. Through the numerical simulation of pump station stops pumping water hammer occurs without valve protection， hydraulic control butterfly valve， hydraulic control butterfly valve and air valve， hydraulic control butterfly valve， air valve and air tank joint protection condition of water hammer pressure head change rule， it proposed the use of hydraulic control butterfly valve， air valve and a certain volume of air tank joint pumping water hammer protection of new ideas. By further simulating the influence of the height diameter ratio of air tank and the initial gas pressure head on the protection effect of water hammer， it is concluded that when the height diameter ratio is 3 and the initial gas pressure head is 60 m and the protection effect of water hammer is the best.

Key words： water hammer; negative pressure; air tank; height diameter ratio; initial gas pressure head; pumping station

水錘防護是供水工程管道安全控制的核心內容，是長距離輸水管線安全穩定運行的重要保障措施。往往水錘引起的壓強驟升，可達到管道正常工作壓強的幾倍，甚至數十倍，大幅度的管道壓強波動會造成強烈的管道振動，爆管事件屢見不鮮，亦會引起水泵倒轉現象，導致泵房內設備管道出現故障，嚴重時可能淹沒泵房，造成重大人員傷亡及財產損失[1]。當前，水錘防護裝置主要有空氣閥、調壓塔、水錘消除器以及緩閉閥等，這些裝置可以在不同程度上防止負壓導致的水柱分離和水汽潰滅導致的危害現象，但運用到實際工程中效果不佳。蝶閥啟閉方便，結構簡單，但適用壓力和工作溫度范圍較小，密封性較差，管道整體泄漏量很大，流量調節范圍較小，對于大型工程不能用于單獨的水錘防護;空氣閥只有當管道內壓力小于外界大氣壓時才能進氣工作，對于水錘的防護往往不能做到及時響應，也就無法及時適應調節管道內的水錘壓力波變化[2];調壓塔作為工程措施，造價較高，不適應大規模推廣;而空氣罐內的壓縮空氣可以根據管道實際運行情況吸收壓力波動和釋放壓能，安全可靠，調節靈活，且造價相較調壓塔更為經濟[3]。本文以北方某泵站工程為例，通過水力過渡過程計算，研究空氣罐防護水錘的效果，提出空氣罐高度直徑比、初始氣體壓力水頭等敏感性參數對水錘防護效果的影響等。

1 數學模型

1.1 水錘計算模型

在管道系統中，通常采用特征線法對水錘進行計算。水錘基本方程是一種一維波動方程，其數學表達式全面表達了有壓管道中液體的非恒定流動規律，其基本方程包括運動方程和連續性方程。水錘基本方程為

1.2 空氣罐工作原理及特點

當水泵機組發生事故突然停機時，水泵轉速減慢，流量也會隨之減小，這時空氣罐內壓力大于輸水管道內壓力，在大氣壓作用下，罐內氣體迅速膨脹，將空氣罐內水體擠壓至管道中以補給管道，從而減緩管道中水流流速減慢的速度，以避免管道內壓力下降至大氣壓以下或者汽化壓力，當管道內水體發生倒流現象時，且流速降低至某一臨界值時，單向止回閥發生動作迅速關閉，使得管道內壓力上升。當管道內壓力值大于空氣罐內壓力值時，空氣罐內的氣體受到擠壓體積縮小，允許管道內的水流入空氣罐內，從而減緩管道內水流流速的變化，抑制管道內壓力的升高[4]。

1.3 空氣罐數學模型

假設空氣罐中位置壓力均相等，氣體與罐壁摩擦忽略不計，并認為氣體符合可逆的多變關系，空氣罐的邊界條件見圖1。

2 案例分析

2.1 工程概況

北方某泵站共布置3臺機組，型號為SLOW250-610X2B，設計流量0.5 m3/s，額定轉速為1 480 r/min。其中，3臺水泵每臺設計流量為0.25 m3/s（兩工一備），裝機容量2 130 kW，進水池水位723.0 m，出水池水位878 m，地形揚程155 m，設計揚程185 m，管道額定壓力水頭為166 m，輸水管線長度為8 857.67 m，泵站管路縱斷面布置見圖2。

2.2 水錘防護效果對比分析

利用Visual Basic語言進行編程，計算水泵并聯運行無閥防護、液控蝶閥防護、液控蝶閥加空氣閥聯合防護時的水力過渡過程，計算結果見表1。

由表1可知，在無閥防護時，最大正壓力水頭符合規范要求，為額定壓力水頭的1.23倍，泵站系統最大負壓力水頭-10 m，已達到汽化壓力，不符合規范要求，在實際管路系統中，斷面X2+278后地形變化起伏較大，且在斷面X2+278以后基本處于負壓狀態，過長的負壓管道將會給水泵機組的運行帶來不利影響，因此在不能改變管線敷設和地形的前提下考慮采取液控蝶閥防護措施對水錘現象進行防護，負壓問題沒有得到改善。

利用液控蝶閥對泵站水錘進行防護的過程中，通過大量數值模擬，確定兩階段液控蝶閥關閉規律為5 s關閉72°，35 s關閉18°。據表1結果可知，最大正壓力水頭為256.32 m，為額定壓力水頭的1.54倍，不符合規范要求，最大負壓力水頭-10 m，仍然大于汽化壓力，可見負壓仍是需解決的最主要問題，因此下一步考慮采用液控蝶閥與空氣閥聯合防護以解決負壓問題。

根據《泵站設計規范》要求[5]，一般在管道每隔800～1 000 m安裝一個空氣閥，在坡度較大的隆起與降低變化較大區域安裝空氣閥，結合考慮管道負壓情況，優化設置管線空氣閥安裝位置。在樁號X1+265至X5+060設置20個DN100進排氣系數分別為0.8、0.2的空氣閥;在樁號X5+315至X7+845及X8+645斷面處，設置8個DN50進排氣系數分別為0.7、0.3的空氣閥。管線共計安裝28個空氣閥。兩階段液控蝶閥5 s關閉72°，35 s關閉18°。由表1可知，采用液控蝶閥和空氣閥聯合防護時，管道最大正壓力水頭為額定工作壓力水頭的1.49倍，滿足規范要求，管道內最大負壓力水頭為-10 m，仍達到汽化壓力。負壓問題依舊沒有得到妥善解決，需改變工程防護措施進一步消除負壓，考慮采用液控蝶閥+空氣閥+空氣罐聯合防護方案。

2.3 綜合消除水錘最優方案研究

上述防護措施在數值模擬中均不滿足規范要求，調壓塔屬于工程措施，造價相對較高，故考慮在液控蝶閥、空氣閥聯合防護的基礎上增設空氣罐，探究綜合消除水錘的最優方案。

2.3.1 液控蝶閥、空氣罐加空氣閥聯合防護數值模擬

在液控蝶閥與空氣閥聯合防護的基礎上，在泵出口處設置空氣罐，其體積采用美國約翰·帕馬金所推薦的曲線[6]確定為2.36 m3，空氣罐初始液位725.5 m（即罐內初始水深5 m），充入氣體為空氣，多方指數為1.4，罐內溫度20 ℃，初始壓力水頭60 m。此時管道沿線最大壓力水頭、最小壓力水頭見表2，管道沿線最大、最小壓力水頭包絡線見圖3。

由表2和圖3可知，在管線上加設液控蝶閥、空氣閥、空氣罐后，發生水錘時管線最大壓力水頭為237.29 m、最優壓力水頭為-1.65 m，在該防護措施下，整個管線最大正壓有所下降，小于額定工作壓力水頭的1.5倍，整個管線負壓情況改善明顯，且空氣罐體積僅需2.36 m3就可以滿足最大負壓力水頭大于-2 m的規范要求。由此可見，空氣罐的增設可以起到改善供水工程管路最大正壓和消除最大負壓的作用，能確保工程安全運行。

空氣罐在實際設計應用中，可改變的參數相對較多，在空氣罐體積一定的情況下，本文從空氣罐不同高度直徑比、不同初始氣體壓力水頭兩方面對空氣罐敏感性參數進行分析，以尋求消除水錘最優防護方案。

2.3.2 一定體積下，高度直徑比對水錘防護效果的影響

在安裝位置相同時，初始體積較大的空氣罐水錘防護措施較好，但實際工程中空氣罐的體積受經濟、外觀、安裝等因素的限制，在體積一定的情況下，不同的高度直徑比的空氣罐表面積不同，間接影響空氣罐發生動作時空氣罐水體的流動速度，同時選擇適宜的高度直徑比對節約工程造價有重要意義。

由前述可知，采用空氣罐體積為2.36 m3時即可滿足水錘防護要求，空氣罐的體積受到高度和直徑的影響，同一體積下，不同的高度直徑比對水錘的防護效果不同。本文在空氣罐體積為2.36 m3的基礎上，設置6組不同的高度直徑比分析其對水錘防護效果的影響，管線壓力水頭極值見表3，最大正、負壓力水頭隨高度直徑比變化曲線見圖4、圖5。

在空氣罐體積一定時，改變高度與直徑的比值，直觀上體現為空氣罐外觀形狀的變化，高度直徑比越大外觀越趨于瘦長，高度直徑比越小外觀越趨于矮胖。由表3、圖4和圖5可知，當空氣罐體積為2.36 m3時，最大正壓力水頭隨著空氣罐高度直徑比的增大而減小，兩者呈反比例關系;最大負壓力水頭在高度直徑比為3時達到最優值-1.65 m，大致呈正態分布。

2.3.3 一定體積下，初始氣體壓力水頭對水錘防護效果的影響

當空氣罐的體積確定后，空氣罐初始氣體壓力水頭仍對水錘防護效果影響較大，初始氣體壓力水頭較大時消能作用明顯，但管道內壓力陡降時可能出現空氣倒流入管道的現象。在空氣罐體積確定的條件下，如何選擇合理的初始氣體壓力水頭是空氣罐水錘防護中的重要課題。

由前述可知，采用直徑為1 m，高度為3 m，體積為2.36 m3的空氣罐對水錘的防護效果最優，但空氣罐的初始氣體壓力水頭對管路系統的水錘影響較大，在空氣罐體積相同的情況下，設置9個不同初始氣體壓力水頭，分析其對管道水錘防護效果的影響。管線最大、最小壓力水頭極值見表4，最大、最小壓力水頭隨初始氣體壓力水頭變化曲線見圖6、圖7。

由表4、圖6和圖7可知，當空氣罐初始氣體壓力水頭從30 m增大至110 m時，最大正壓力水頭呈下降趨勢，兩者呈反比例關系;最大負壓力水頭在初始氣體壓力水頭為60 m時達到最優值-1.65 m，基本呈正態分布。

4 結 論

在各項防護措施均無法保障管路安全運行的情況下，增設空氣罐可以明顯改善泵站水錘影響;不同高度直徑比和不同初始氣體壓力水頭的空氣罐對管路水錘的防護效果不同，兩敏感性參數均與最大正壓力水頭呈反比關系，最大負壓力水頭隨高度直徑比和初始氣體壓力水頭的變化呈正態分布，本案例中，高度直徑比為3、初始氣體壓力水頭為60 m時，水錘防護效果最優。

參考文獻：

[1] 張玉勝.面向山西大水網供水泵站水力特性優化研究[D].太原：太原理工大學，2017：79-90.

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[3] 何城，張健，鄭源，等.臥式空氣罐的水錘防護性能[J].排灌機械工程學報，2017，35（2）：138-143，151.

[4] 郝萍.新型空氣罐防護泵供水系統水錘研究[D]. 西安：西安理工大學，2015：11-17.

[5] 中華人民共和國水利部. 泵站設計規范：GB 50265—2010 [S].北京：中國計劃出版社，2011：7-13.

[6] 金錐，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護[M].北京：中國建筑工業出版社，2004：136-138.

【責任編輯 趙宏偉】