西流湾电排水泵真空破坏方式探讨

王德红

（湖南正源水利水电工程监理有限公司 益阳市 413000）

马腾飞

（益阳八百里工程建设监理有限公司 益阳市 413000）

电排是防旱排涝的重要水利设施。城区的电排更是担负着一个城市区域水资源合理调配的重任，肩负着城区居民的饮用水、工业用水、城区污水以及夏季因暴雨产生的城市渍水的输送，可见，电排的安全运行对人民的生产、生活非常重要。水泵运行时管道内时常产生真空，真空的存在影响着电排管道及压力水箱的安全[1]，因此，解决好这一问题对电排的安全运行非常重要。本文就益阳市西流湾电排停机时排水管内产生的水锤现象进行分析，根据管内滞留真空引起的水锤现象提出相应的解决办法，并就如何确保水泵安全运行进行探讨。

1 电排现状

益阳市西流湾电排位于赫山城区建设路与滨江路交叉处，西流湾排区的北端，资水河畔，西距益阳市一桥1.5km，是益阳市资江南岸西部主城区重要的一处外排机埠。受益范围包括黄泥湖乡和江家坪乡的几乎所有面积，以及市区的3个街道办事处，200多家企业,受益人口大约15万人[2]。

西流湾电排建于1994年，2004年改扩建，排渍机组1310kW、排污机组396kW，设计排渍流量为19.7m3/s、排污流量为1.1m3/s，西流湾电排主干排渠总长度为4.8km，宽度为4m，受益面积0.64万hm2（9.58万亩）,是一个集排渍、排污于一体的综合型中型泵站。该站以“预防为主、科学调度、确保安全”的宗旨为防洪保安的指导方针，根据合理有序的“排水方案”排渍、排污。为确保城区的防洪安保和城区居民生活饮用水安全提供了强有力的保障，产生了巨大的社会、经济和环境效益。

2 水泵管道产生真空的原因分析

2.1 水流环境影响

西流湾电排出水流道布置分为机排与自排两部分。自排流道底板高程28.2m，分成高低两区，低排区将现有电排出水流道（2.0m×2.5m）向内加长9.65m；高排区新建自排流道，长43.5m，断面尺寸高2.5m，宽2.5m。

机排流道由压力钢管、压力水箱、预制钢筋混凝土管及镇墩组成。5台排渍泵分别由压力钢管引出后进入镇墩，外接5根独立的预制钢筋混凝土管(Φ1.5m)，在外河面再次进入镇墩后由闸阀控制排入外河；4台排污泵由4根压力钢管汇集到压力水箱（平面尺寸2.0m×3.15m）后，在压力水箱东、北两面分别设置闸阀对水流进行控制。

由于选址处水流流态较差，进水流道内水流表面流态紊乱进而形成涡流和回流，水流中形成涡流和回流后，增加了水力损失，同时将大量的气体带入泵体，降低了水泵的效率，甚至出现水泵汽蚀导致机组振动而无法工作的现象[3]。

2.2 输水管结构变化影响

伸缩节更换前水泵的运行情况：西流湾电排排水管道较长，因安装调整及补偿管道长度的需要，在弯管下方20cm处设置了套管伸缩节，如图1所示，并在伸缩节内管和外管之间填充了止水材料。水泵运行过程中，特别是开机、停机的几分钟内，管道的震动特别大，严重影响单位的工作环境，需要经常检修维护，同时也不利于水泵系统的安全。

图1 套管式伸缩节

更换伸缩节后水泵的运行情况:为了解决开关机时水泵管道震动的问题，电排站多次组织技术人员讨论后决定将套管式伸缩节更换成波纹管伸缩节，如图2所示。波纹管伸缩节在补偿轴向位移的同时，又可以补偿横向位移或轴向和横向的合成位移，其密闭性能好，寿命长。

图2 波纹管伸缩节

套管式伸缩节更换为波纹管伸缩节之后，水泵开关机时管道的震动减小明显，大大降低了检修的频率，改善了电排站的工作环境。但由于最初使用的套管式伸缩节的止水填充材料能够渗入空气，可以在水泵压力出水管退水时有效破坏拍门后产生的真空，波纹伸缩节却只能适应伸缩，不能补气破坏真空，导致停机时重力下落的水体在真空作用下又向上反冲，由于惯性将拍门冲开后在外管道压力作用下又迅速关闭，管内水体又在重力作用下退回，如此反复运动导致拍门不停的开关十余次，拍门开关时产生的锤击力作用在墙体附近的一段压力水管上，极易导致压力水箱开裂，严重威胁水泵系统的安全。

3 解决办法

为了解决水泵停机时管内产生真空进而引发水锤的问题，我们采取的改进措施是在拍门后设置口径适当大小的止回阀[4][6]，如图3所示。水泵正常运行时，输水管上止回阀的阀门处于关闭状态，对水流没有任何影响，水泵关机时，通过外界和管内的压力差阀门自动打开向管内补气破坏管内真空，避免产生水锤现象。止回阀设置后其阀口径选择非常重要，口径过大，由于真空破坏事件过短，则停机时拍门撞击力便会很大，如果太小，又不能完全消除真空影响。

图3 压力水箱及输水管

为了选择口径合适的止回阀，必须进行管道回流水量的计算。《<真空破坏器应用技术规程>编制内容介绍》中给出了回流水量的理论计算公式如下[5]：

结合GB50015《建筑给水排水设计规范》中的针对倒流防止器和真空破坏器的设计、施工、安装和调试等内容，按照补气流量大于水的回流量的规定，由顶形真空破坏器补气流量表查得理论上可选用DN32管顶型真空破坏器。

为了确保真空破坏器的效果，我们进行了现场的实验验证。选取DN32管顶型真空破坏器做为固定的通气阀，在3条同样管径的输水管顶部开不同孔径的孔洞，把3个DN32管顶型真空破坏器焊接在3个孔洞上，逐一开、关机观察水泵及管道的运行情况，现场实际情况记录如附表。

附表 不同孔洞直径情况下水泵运行情况表

输水管顶部孔洞直径为20mm时，水泵停机吸气时间较长，拍门过缓，水泵震动剧烈；输水管顶部孔洞直径为32mm时，水泵停机吸气时间平均需要十几秒，拍门声正常，震动较小；输水管顶部孔洞直径为45mm时，水泵停机吸气时间过短，拍门直接合死，水泵震动剧烈。经过反复的计算分析及模拟实验，确定西流湾电排0.55m3/s的泵可以选用32 mm口径的止回阀，停机吸气时间十几秒钟，停机拍门撞击声较正常。

4 总结及建议

（1）对西流湾电排在停机时输水管产生真空的原因作了重点分析，提出并验证了相关的解决方案。西流湾电排水泵输水管安装的套管式伸缩节更换为波纹管伸缩节后由于没有透气性而引起水泵在停机时产生真空，需要安装真空破坏器来消除。通过理论计算及现场试验的分析，在水泵输水管顶部安装合适口径的真空破坏器能避免水泵在停机时产生水锤，又能大大减小水泵在开关机时的震动。合适口径真空破坏器的确定需要科学的计算与现场试验相结合，如西流湾电排中管道通气阀的孔径应选择32 mm为宜。

（2）建议。停泵水锤主要是因为出水管道止回阀关闭过快引起，因此，取消止回阀可以消除停泵的危害，并且可以减少水头损失，节约能耗；取消止回阀时应进行停泵水锤压力计算，为减少和消除水锤，可在大口径管道上安装微阻缓闭止回阀。也可以采用PLC自动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。

[1]杨远东，邓志光.停泵水锤计算及其防护措施[J].中国给水排水,2000，（05）.

[2]李望书.益阳西流湾电排提质改造必要性思考[J].企业研究，2012，（04）.

[3]刘光临，刘梅清，匡许衡.长管道系统中的水锤及其防护研究[J].武汉水利电力大学学报,1986，（05）.

[4]徐宏光.真空破坏阀的设计原理及改进[J].电站系统工程，2010，（01）.

[5]万水，张淼.《真空破坏器应用技术规程》编制内容介绍[J].给水排水，2011，（02）.

[6]刘观灯.改进真空破坏阀结构设计的探讨[J].农田水利与小水电，1984，（06）.