關于啟、停泵時有壓輸水管道的水錘防護研究

李鵬飛

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

1 引言

因流速劇烈變化，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象稱為水錘現象。壓力管道在啟、停泵時，有壓管道內流量變化最劇烈，因此產生的水錘也最具破壞性。如何有效地應對壓力管道在啟、停泵時產生的水錘對確保工程安全至關重要。

在輸水管道中存在氣水兩相流形式運行，設計長距離有壓輸水管道時，應分析在不同工況下可能出現的水的流動狀態，選擇在合適的位置安裝一定數量的防護設備。本文主要探討在長距離有壓輸水管道工程中有局部高點的位置，采用安裝空氣閥的防護措施來消除管道中的水錘危害。

2 啟、停泵時有壓輸水管道水錘的計算模型

啟、停泵時水錘的計算數學模型是描述管道全系統瞬變流的特征線方程。它與管道系統內各類設施邊界條件及管道以外的其他邊界條件一起構成啟、停泵時水錘的數學模型。

2.1 空氣閥的邊界條件

式（4）是所有具有排氣功能的排氣裝置的通用計算公式。

特殊情況下，目前應用最廣泛的空氣閥裝置是具有恒速緩沖功能的空氣閥，它增加了緩沖裝置，在公式中表現為：

2.2 空氣閥模型的表示

空氣閥是有壓輸水管道工程中消除水錘最常用設備。管道正常運行工況下，水中會有溶解的空氣隨著溫度的上升或壓力下降從管道中析出；管道在閥門需要開啟、關閉工況下，管道中因流速劇烈變化等情況出現負壓時，外部空氣通過空氣閥進入管道內部。空氣閥按其低于大氣壓系統進氣、高于大氣壓系統排氣的物理特點建立模型，用差分法求解。對空氣閥作如下假定：空氣等熵地流入流出閥；管內的空氣溫度始終不變；流進管內的空氣仍留在空氣進、排氣閥附近；液體表面高度基本不變，空氣體積和管段里液體體積相比很小。

由以上假定，要求空氣閥安裝在管道局部高點的頂點位置并選為計算截面。通過空氣閥的空氣質量取決于管外大氣的絕對壓力P0、絕對溫度T0以及管內的絕對壓力p 和絕對溫度T。

3 實例研究

3.1 工程概況

尼山水庫調蓄水工程主要利用泗河干流水庫、閘壩調蓄水量為尼山水庫（圣水湖）補水。主要包括泵站工程2 座、有壓輸水管道工程。泗河水經一級泵站加壓后進入管道輸水至二級泵站，再由二級泵站加壓后沿河道至尼山水庫。

該工程為壓力輸水，輸水管道較長，為防止水錘壓力，在管道的隆起點和每隔800m 左右設復合進排氣閥1 對，材質為球墨鑄鐵或鑄鋼，用以排除管道內空氣和在管道檢修時放氣或補氣以保持排水通暢，并起著消除水錘、保護管道安全的作用。

3.2 設計指標

設兩級泵站，第一級泵站設計流量4.35m3/s，設計揚程51.27m，設3 臺DFSS800-14N/8 型供水離心泵，單機功率1000kW，水泵轉速740r/min，管道樁號長度為17.1km；第二級泵站設計流量4.35m3/s，設計揚程45.71m，設4 臺DFSS800-14N/8A 型供水離心泵，單機功率900kW，水泵轉速740r/min，管道樁號長度為6.4km。

泵站至尼山水庫管道總長度23.5m。泵站設計運行水位70.50m，最高運行水位71.00m，最低運行水位68.50m，興利水位124.52m。

3.3 運行要求

該工程共兩個管段，其中第一管段泗濱泵站～二級泵站壓力前池入口，第二管段二級泵站～尼山水庫入口均為加壓輸水管道，其運行基本方法按下列要求操作：

（1）水泵啟動

水泵正常啟動時，除一般正常操作步驟外，還應使閥門開啟速度不致過快導致較大的啟動水錘升壓。突然停泵后再次開啟水泵，應控制輸水管流速，確保輸水管內不存在氣囊后，再逐漸加大流速至設計值。

輸水管道初次通水時，水泵啟動應控制充水流速，當輸水管全部充滿、沿線所有排氣閥停止排氣后，再逐漸加大充水流速至設計流量。

（2）停泵

應首先關閉水泵前出水閥門，再停水泵。當較長時間停運時，可放空管內存水，一般情況不宜放空管路。

（3）流量調節

水泵正常運行時，一般應采用多臺水泵并聯方式進行流量調節。

3.4 泵站啟、停泵時水錘模擬

（1）一級泵站

水泵出口設置控制閥，控制閥為兩階段關閉，5s 關閉70%，30s 關閉100%。泵站設計流量4.35 m3/h，設計揚程51.27m，全長17123m。水錘壓力包絡線、水力坡度線見圖1、圖2。

圖1 一級泵站壓力包絡線圖

圖2 一級泵站水力坡度曲線圖

由圖可知，在計算時間內，最大壓力約0.65MPa，位于管道起始位置，最大負壓區位于管道末端，最大負壓值約0.07MPa。經復核，管材、閥件選擇合理。

泵站機組從停泵后，轉速從740rpm 下降到15.7rpm，滿足規范要求。

（2）二級泵站

水泵出口設置控制閥，控制閥為兩階段關閉，5s 關閉70%，30s 關閉100%。泵站設計流量4.35 m3/h，設計揚程45.71m，全長6389m。水錘壓力包絡線、水力坡度線見圖3、圖4。

圖3 二級泵站壓力包絡線圖

圖4 二級泵站水力坡度曲線圖

由圖可知，在計算時間內，最大壓力約1.18MPa，位于管道起始位置，最大負壓區位于管道末端，最大負壓值約0.075MPa。經復核，管材、閥件選擇合理。

泵站機組從停泵后，轉速從740rpm 下降到-4.0rpm，滿足規范要求。

根據管道水錘計算并復核管道起始點及末端管中心設計高程，管道在最不利運行下滿足壓力管道頂部有不少于2.0m 的壓力水頭的規范要求。

4 結論

有壓輸水管道啟、停泵時，很容易產生巨大的水錘壓力，給輸水系統帶來嚴重的危害。計算結果表明在局部高點裝設空氣閥，可以有效地防止開啟、關閉閥門時產生巨大水錘■