长距离输水泵系统液柱分离的联合防护研究

黄玉毅 ，李建刚 ，刘 政 ，蒋 劲 ，兰 刚 ，范 征

（1.甘肃省酒泉市水利水电勘测设计研究院，735000，酒泉；2.武汉大学动力与机械学院，430064，武汉）

一、管道内流体压力剧变研究意义深远

流体的瞬变过程是指当压力管道中的流体因某些原因而产生流速的急剧变化时，由于流体的惯性作用而引起管道内流体压力急剧变化的现象。当管道中压力降低到水的汽化压力，即管路中出现气、液两相流时，由此而带来的负压和水注弥合压力都会对管路造成危害。如果预料不及或处理不当将会导致管道剧烈震动，泵阀等设备被损坏，严重时整个系统管道断裂破坏。因此，对泵站及其管路进行瞬变过程的分析计算，针对计算结果进行合理分析并采取相应的水锤防护措施以达到安全性的要求就显得尤为重要。

目前，国内外有关流体瞬变流的研究已深入到气液两相瞬变流问题，同时如何更加经济、有效地防止水锤事故，根据实际情况寻找最优的防护对策也是一项长期的研究课题。

对长距离泵站输水系统的水力瞬变进行理论分析和预测，从而采取安全可靠、管理方便、经济实用的水锤防护措施，是优化工程设计，确保工程安全运行的关键，对于保障生活生产用水及社会经济发展，具有非常重要的实际意义和理论价值。

二、两相瞬变流的基本假设

对管道中的两相流，作如下基本假设：①不考虑两相间的相对速度(运动)，在同一断面上，气相和液相的速度在每一瞬间均相等，都等于混合体的速度；②因按一维流态分析，所以一些物理量如流速、密度和压力等均按断面平均值计算；③不计气泡的表面张力。

两相瞬变流采用的基本方程和单相流一样，但需分相列出质量方程，因不计相间的动量变换，所以动量方程可以合并为一个混合体的动量方程。基本方程式及其推演略述。

三、水锤计算及防护实例应用

1.基本概况

某供水项目自枢纽进水口取水后，采用 4 台（1 台备用）ASP1 400—1 500 A泵输送，叶轮直径1 480 mm，水泵扬程30.69 m，额定流量8.4 m3/s,额定点效率91%，额定转速375r/min。管线总长37.734km，其中钢管段总长1.692km，采用DN 2800的管道双管布置，隧洞段总长36.042km。系统静扬程9.00 m，管路总损失21.55 m。针对本工程的管线布置与泵站设计，为了对系统中可能出现的事故停泵过渡过程问题进行计算分析，并采取合理的措施对工程进行水锤防护，对该泵站及输水系统水锤计算及防护研究的主要内容如下：①泵站各种可能的稳态运行工况的校核计算。②泵站事故停泵过渡过程计算及水锤防护措施研究。分别计算各级泵站发生事故停泵时的泵组最不利参数 （包括最大倒转转速、倒转时间、最大倒泄流量等）、管线最大最小水锤压力包络线；优化确定水泵出口控制阀的关闭规律；提出水锤防护措施。

2.泵站事故停泵水锤及关阀水锤计算

（1）泵出口阀不关闭

利用泵站的基本资料，对泵站建立模型并进行计算。以3台泵运行作为控制工况，进行水锤分析和防护措施选择。

图1为3台泵运行、无任何防护措施、泵出口阀不关闭条件下的停泵水力过渡过程计算结果。（a）为沿线压力包络线；（b）为泵出口阀后压力的变化过程；（c）水泵流量的变化过程；（d）桩号2+796处压力变化过程。

水泵在停泵后的95.2秒开始倒流，在停泵后的第112.4秒开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的0.40倍。水泵的倒转转速没有超过《泵站设计规范》规定的“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍”要求。出于安全考虑，应确保停泵后泵出口阀门的可靠关闭，防止水泵长时间倒转。 从图1（a）、（b）中可以看出，水泵出口母管中的最大水锤压力为30.39 m，初始恒定流压力为30.39 m，满足《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5 倍”的要求。 图1（a）、（d）显示管道中最小水锤压力为-8 m，出现在桩号2+796处，管线中汽化（按-8 m考虑，下同）现象很严重。

（2）设双向调压井和单向调压井，泵出口阀关闭

图1 3台泵突然停泵的水力过渡过程（无任何防护措施、泵出口阀不关闭）

双向调压井是一种兼具注水和泄水缓冲式的水锤防护措施，一旦管道中压力降低，调压井迅速向管道补水，以防止管道总产生负压。当管路中水锤压力升高时，允许高压力水流进入调压井，从而起到缓冲水锤压力升高的作用。单向调压井带有普通止回阀，水泵正常运行时，注水管上的止回阀处于关闭状态。当事故停泵水压降到事先设定的压力值时，止回阀迅速开启，向管道注水，从而防止发生负压并控制泵管系统中的水锤压力振荡与危害。

根据管线纵剖面图，拟在桩号2+769.16处设置1个双向调压井，直径为25 m，高为17 m,初始液面高度14.32 m。在桩号0+892.25处设置一个单向调压井，直径为6 m,高为10 m，液面高8 m。事故停泵后，泵出口阀的关闭规律为两阶段关阀：0～11.7秒关80%，11.7～90秒全部关闭。

图2为3台泵运行、设双向调压塔、单向调压塔、泵出口阀两阶段关闭条件下的停泵水力过渡过程计算结果。（a）为沿线压力包络线；（b）为双向调压塔液面高度的变化过程。

安装双向调压塔和单向调压塔，水泵出口阀两阶段关闭后。从图2（a）中可以看出系统最大压力38.85 m，出现在泵出口阀后，最小压力-1.15 m，出现在14+613.95处，系统中没有出现汽化现象。但图（b）显示事故停泵300秒后，双向调压井内水全部流空。

（3）设双向调压井和单向调压井，泵出口阀关闭，尾阀关闭

为了防止双向调压井内水过快排空，可考虑关闭系统尾阀。阀门特性曲线选用等百分比特性曲线。事故停泵30秒后，尾阀开始关闭，经过60秒完全关闭。事故停泵后，泵出口阀的关闭规律仍为两阶段关阀：0～11.7秒关80%，11.7～90秒全部关闭。图3为3台泵运行、设双向调压塔、单向调压塔、泵出口阀两阶段关闭、尾阀关闭条件下的停泵水力过渡过程计算结果。（a）为沿线压力包络线；（b）为尾阀进口流量和压力的变化过程。从图3（a）和（b）中可以看出系统最大压力137.92 m，出现在尾阀进口，远大于水泵出口额定压力，且桩号14+164下游至尾阀进口处出现了汽化现象。

（4）设双向调压井和单向调压井，泵出口阀关闭，尾阀两阶段关闭

为了防止双向调压井内水过快排空，可考虑关闭系统尾阀，但尾阀关闭过快，将导致尾阀进口产生较大的关阀水击压力，而且管线末端将出现汽化现象，所以拟在事故停泵后，两阶段关闭尾阀。阀门特性曲线选用等百分比特性曲线。事故停泵30秒后开始动作，30～90 秒关闭 70%，90～390秒全部关闭。事故停泵后，泵出口阀的关闭规律仍为两阶段关阀：0～11.7秒关80%，11.7～90秒全部关闭。

图4为3台泵运行、设双向调压塔、单向调压塔、泵出口阀两阶段关闭、尾阀两阶段关闭条件下的停泵水力过渡过程计算结果。

图2 3台泵突然停泵的水力过渡过程（设双向调压井、单向调压井、泵出口阀两阶段关闭）

图3 3台泵突然停泵的水力过渡过程（设双向调压井、单向调压井、泵出口阀两阶段关闭、尾阀关闭）

图4 3台泵突然停泵的水力过渡过程（设双向调压井、单向调压井、泵出口阀两阶段关闭、尾阀两阶段关闭）

从图4（a）中可以看出系统最大压力38.95 m，满足《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍”的要求。最小水锤压力-0.93 m，出现在泵出口阀后，管路中汽化现象已消除，负压状况得到大大改善。 图4（b）（c）显示了泵出口阀两阶段关闭后，水泵倒流倒转现象得到改善，满足《泵站设计规范》中的相关要求。 图4（e）（f）显示，两阶段关闭尾阀后，双向调压塔不会排空，且没有产生巨大的关阀水击压力。

四、结 论

研究泵站采用了4台 （1台备用）泵组，3台机组停机，无防护措施时，有汽化现象，且水泵有较为严重倒流和倒转现象出现。为改善水泵倒流倒转现象在水泵出口设置重锤式液控缓闭蝶阀，事故停泵后两阶段关闭。为有效消除事故停泵后系统中的负压，在桩号2+769.16处设置1个双向调压井，直径为25 m，高为17 m，初始液面高度14.32 m，在桩号0+892.25处设置一个单向调压井，直径为6m,高为10m，液面高8 m。为防止事故停泵后双向调压塔快速排空，在管线末端装设尾阀。数值模拟结果显示如果在事故停泵后，快速关闭尾阀，将导致较大的关阀压力，造成管线末端出现汽化现象，而采用两阶段关闭尾阀，不仅能防止事故停泵后双向调压塔排空，也不会产生过大的关阀压力，还能进一步改善系统内的负压，一种可靠的水锤防护措施。

[1]E.B.怀特，V.L.斯特里特.瞬变流[M].北京：水利电力出版社，1978.

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