空氣罐與單向塔聯合水錘防護在有壓輸水工程中的應用

龐宇 楊誠志

摘 要：有壓輸水管路多因啟停泵或事故停泵而產生水錘事故，為確保整個輸水系統安全穩定運行，需要從整體上對管路進行水力過渡過程計算，分析其水力特性，然后提出合理的防護措施。基于特征線法和水錘計算基本方程，本文針對某提水工程建立數值模型并進行軟件建模，進行恒定流與非恒定流計算。分析發現，本工程采用沿管線布置空氣罐與單向塔聯合水錘防護的措施，可以很好地實現水錘防護。

關鍵詞：水錘防護;空氣罐;單向塔;特征線法;數值模擬

中圖分類號：TU991.39文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0088-03

Abstract： The pressurized water pipeline is mostly caused by water hammer accidents due to pump start and stop or accidental pump stop， in order to ensure the safe and stable operation of the entire water delivery system， people need to calculate the hydraulic transition process of the pipeline as a whole， analyze its hydraulic characteristics， and then propose reasonable protective measures. Based on the characteristic line method and the basic equations of water hammer calculation， this paper established a numerical model and software modeling for a certain water pumping project to calculate constant flow and unsteady flow. The analysis found that this project adopts the combined water hammer protection measures of air tanks and one-way towers arranged along the pipeline， which can achieve water hammer protection well.

Keywords： water hammer protection;air tank;one-way tower;characteristic line method;numerical simulation

為進一步解決供水平衡問題，我國持續開展有壓輸水管路系統工程建設。在建設過程中，最常見的危險來自管路水錘，因此采取合適的水錘防護措施是保障整個工程安全運行的關鍵[1]。胡建永等[2]采用合理布置空氣閥的方式進行水錘安全防護;張健等[3]在確保管道運行不出現負壓的前提下，構建了單向塔布置的理論分析和數值優化總體框架，為單向塔在長輸水管道工程的合理布置提供了參考;李琨等[4]將空氣罐的直徑作為變量，模擬不同體積下的空氣罐對水錘防護效果的影響，發現將液控蝶閥、空氣閥和空氣罐進行聯合防護時，水錘防護效果最佳;劉有亮等[5]在對超高揚程及長距離泵站進行停泵水錘分析時，通過軟件模擬分析計算發現，采用液控止回偏心半球閥、空氣閥、壓力波動預止閥等防護設備，能有效消除事故停泵時管線負壓和降低水錘升壓。但在實際設計過程中，針對具體工程特點，人們需要進行具體分析，采取合理的防護措施。

1 基本理論

1.1 有壓管道恒定流數學模型

某輸水線路主要由鑄鐵管組成，輸水形式為泵站加壓輸水，水頭損失主要為沿程水頭損失。恒定流計算采用有壓管道恒定流基本方程——伯努利能量方程開展，控制方程如下：

式中：[Δt]為計算時間步長;[ΔL]為特征線網格管段長度;[k]為特征線網格管段數;[R]為水頭損失系數;[a]為水錘波速;[A]為管道面積;其他符號意義同前。

水力過渡過程計算一般從初始穩定動行狀態開始，即取此時[t]=0，當[t-kΔt<0]時，取[t-kΔt=0]作為初始時刻，式（2）、式（3）均只有兩個未知數，將其分別與A、B節點的邊界條件聯列計算，即可求得A、B節點的瞬態參數。

2 工程概況及數值模擬分析

該有壓輸水工程由進水池、取水泵站、供水管道以及出水池組成，采用1根公稱直徑為2 200 mm的鑄鐵管，管中心線高程介于1 856～1 957 m，如圖1所示。設計供水流量為21 960 m3/h。泵站安裝4臺臥式單級雙吸離心泵，其中，4臺工作，0臺備用。水泵設計揚程為114.80 m，單泵設計流量為5 490 m3/h。

2.1 四機穩態工況計算

在四機設計揚程運行工況下，本研究對該工程輸水線路開展恒定流計算，得到測壓管水頭，如圖2、圖3所示。該輸水線路的輸水流量為21 960 m3/h?。管線無負壓出現，滿足運行要求。

2.2 四機瞬態工況計算

下面根據輸水線路供水系統圖和線路布置圖，針對設計揚程無調壓措施情況下4臺水泵同時事故停機的工況，開展水力過渡過程計算分析。無措施事故停機管線內水壓力水頭包絡線如圖4所示，無措施事故停機管線測壓管水頭包絡線如圖5所示。從結果可以看出，在設計揚程4臺水泵同時事故停機的工況下，輸水線路出現較嚴重負壓，壓力水頭最小值出現在樁號4813.28處，為-79.73 m;內水壓力水頭最大值出現在水泵出口處，為215.53 m，高于最大內水壓力水頭控制值161 m;管線最大測壓管水頭出現在水泵出口處，為2 072.03 m，管線最小水頭出現在樁號4 135.97處，為1 872.22 m。水泵不發生反轉。但沿線最大壓力和最小壓力都產生較大的負壓。根據《泵站設計規范》（GB/T 50265—2010）、《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）等相關標準規范，事故停泵過程中，管道系統中瞬時最大壓力不應大于工作壓力的1.3～1.5倍，管線沿線最小壓力水頭不低于2 m，反轉轉速不能超過額定轉速的1.2倍，且超過額定轉速的持續時間不超過2 min，因此不滿足規范要求，其需要增設水錘防護措施。

3 空氣罐單向塔聯合防護方案

對于長輸水系統，空氣罐的作用是當管道中出現負壓時，空氣罐中的水體向管道中補水來抑制管線沿線負壓，并通過空氣罐中的高壓氣體抑制水體倒流而產生的高壓。單向調壓塔可以有效對管線進行水錘防護。當管線內壓力降低至一定值時，單向調壓塔可以給管道補水，防止產生負壓而形成水柱分離。

經大量優化計算分析，推薦本工程采用如下單向調壓塔水錘防護方案。首先，設置空氣罐1個，設置位置為樁號0處，罐體直徑為3.0 m，高為5.0 m，正常運行時水氣比為3∶2，總體積為35.325 m3，底部連接管直徑為0.45 m。其次，設置單向調壓塔3個，其中，1#單向塔設置在樁號2025.97處，罐體直徑為3.0 m，水位高度為9 m，體積為63.585 m3，連接管直徑為1.2 m;2#單向塔設置在樁號2460.2處，罐體直徑為4.0 m，水位高度為12 m，體積為150.72 m3，連接管直徑為1.0 m;3#單向塔設置在樁號4813.29處，罐體直徑為4.0 m，水位高度為8 m，體積為100.48 m3，連接管直徑為1.0 m。最后，泵出口閥門選用止回閥，四機運行同時事故停機和單機運行事故停機后快速關閉。具體計算結果如圖6、圖7所示。

從計算結果得出，在設計揚程四臺水泵同時事故停機的工況下，沿線最大內水壓力水頭出現在樁號1058.14處，為158.53 m，小于最大內水壓力控制值161 m;沿線最小內水壓力水頭出現在樁號4776.85處，最小內水壓力為2.11 m，高于最小內水壓力控制值2 m;管線最大測壓管水頭出現在樁號290.16處，為2 018.40 m，管線最小測壓管水頭出現在水泵出口處，為1 892.65 m。水泵不發生反轉，滿足管線運行要求。

4 結論

針對本工程四機運行工況，本研究選取了設計揚程作為典型工況進行恒定流計算分析。四機并聯運行時，設計揚程工況無負壓出現，滿足管線運行要求。在無調壓措施下四機運行同時事故停機時，管線出現負壓，沿線最大壓力和最小壓力不滿足規范要求，其需要增設水錘防護措施。針對本工程的特點，本文開展了空氣罐單向塔聯合防護方案的計算優化分析，得到較理想的水錘防護效果，沿線最小壓力、最大壓力和水泵反轉轉速均滿足管線運行要求。

參考文獻：

[1]孫一鳴，吳建華，李琨，等.有壓輸水系統的水錘防護研究[J].人民黃河，2021（1）：152-155.

[2]胡建永，張健，索麗生.長距離輸水工程中空氣閥的進排氣特性研究[J].水利學報，2007（1）：340-345.

[3]張健，索麗生，胡建永，等.長距離供水工程單向塔設置分析[J].水力發電學報，2011（1）：49-56.

[4]李琨，吳建華，劉亞明，等.空氣罐對泵站水錘的防護效果研究[J].人民長江，2020（2）：200-204.

[5]劉有亮，胡斌超.超高揚程及長距離泵站水錘分析及防護設置[J].中國農村水利水電，2020（11）：112-117.