空气罐的水锤防护特性及其工程应用

2017-06-21魏振荣

东北水利水电 2017年6期

关键词：水锤截面积水泵

魏振荣

（吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆吐鲁番838000）

空气罐的水锤防护特性及其工程应用

魏振荣

（吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆吐鲁番838000）

介绍了空气罐的常见结构、工作原理及其水锤分析的数学模型。结合工程实例，对空气罐在长距离管道输水系统中的水锤防护效果进行了数值模拟计算，并对空气罐水锤防护效果的影响因素进行了分析。结果表明：空气罐可有效消除管线中的水柱分离及其再弥合现象；在保证罐内水体不漏空的条件下，罐内初始气体体积越大，水锤防护效果越好；罐体直径对水锤防护效果影响甚小；在一定范围内，连接管直径越大，水锤防护效果越好，但当连接管的直径大到一定程度后，连接管直径增大，水锤压力反而增大，存在一个最优的连接管直径。

空气罐；事故停泵；水锤；影响因素

0 引言

对运行中长距离水泵加压系统，当机组因意外停电或机械故障而事故停机时，水泵出口阀后点将首先出现压力下降并向下游传播，管线中局部凸起点的压力可能降至汽化压力，出现水柱分离现象，随后在降压波反射为升压波并向上游传播时，出现水柱弥合并产生巨大升压。因此，事故停泵水锤往往是造成管道破裂等工程事故的主要原因[1]。

常见的事故停泵水锤防护措施包括：泵出口阀两阶段关闭[2]、简单调压塔[3]、单向调压塔[4]、空气阀[5]、压力波动预止阀[6]、超压泄压阀[7]、空气罐[8]等。泵出口阀两阶段关闭、压力波动预止阀和超压泄压阀可以减小管道中的最大水锤压力，但不能改善管线中的负压问题；简单调压塔和单向调压塔通过向管道内补水，可有效改善管线中的负压和水柱分离现象，但简单调压塔往往需要较大的塔体高度，而且在北方寒冷地区应用时，两者均必须考虑冬季的防冻问题；空气阀通过向管道内补气来解决管线中的负压问题，但空气进入管道后可能引起复杂的两相流动，当空气阀的形式和参数选择不合理时，也可能出现较大的水锤压力；空气罐利用空气的弹性，既可吸收管道中的正压，又可向管道内补水来改善管线中的负压，而且空气罐往往布置在水泵出口，可结合泵房布置来解决其冬季防冻问题。

目前，国内应用空气罐进行水锤防护的工程经验相对较少。结合工程实例，对空气阀的水锤防护特性及其影响因素进行分析，以期为其工程应用提供理论依据。

1 空气罐的结构

目前，工程上应用的空气罐主要分为3种：

1.1 气水自然分离式

气水自然分离式空气罐是一个顶部有压缩气体，下部为水体的压力容器，气体和水直接接触。一旦发生事故停泵，在第一阶段，管道中压力降低，罐内气体迅速膨胀，下层水体在气体压力作用下迅速补充给主管道，防止水柱分离；在第二阶段，水流开始倒泄，管道中的压力上升，出水管中的高压使水流进入空气罐中，使罐内气体压缩，从而减小管道中的压力上升。

气水自然分离式空气罐具有结构简单、费用低廉的优点，但罐内气体与水长时间直接接触，逐渐溶解在水中，导致空气罐的缓冲能力下降，需经常补充压缩气体。

1.2 隔膜式

隔膜式空气罐在传统的气水自然分离式空气罐罐体高度一半左右的位置热轧了一个橡胶隔膜，隔膜上部预充了一定压力的氮气，下部为水。其工作原理与气水自然分离式空气罐基本相同。

隔膜式空气罐工作时，通过隔膜实现气水分离，水体和氮气不直接接触，不用担心气体溶解到水中。但是，由于罐体下半部分直接与水接触，容易生锈，所以逐渐被气囊式空气罐所取代。

1.3 气囊式

区别于传统的隔膜式空气罐，气囊式空气罐在罐体内加装了一个气囊内胆，压缩气体位于气囊和罐体内壁之间。当管道系统内的压力上升时，水进入气囊内，气囊和罐体间的气体被压缩，缓解管道内的压力上升；当管道系统内的压力下降，气囊内的水被气体挤出，补充到系统内，防止管道系统内出现水柱分离。

气囊式空气罐在工作时，水只进入气囊内，不与壳体接触，也不与气体接触，从而避免了气体溶解于水和罐体内壁生锈的问题。

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2 空气罐水锤分析的数学模型

空气罐水锤分析可采用特征线法[2]，物理模型如图1所示，其边界条件的数学模型可根据空气罐上下游水头平衡方程、罐内气体等熵绝热条件、水流的连续性方程及管道的水锤相容性方程建立如下：

式中：△t为计算时间步长；Hp3为空气罐所在截面处的测压管水头；S为罐中水面高程；H为当地大气压；∀为时段初空气罐内气体体积；QP和Qp3分别为时段初、末流入空气罐的流量；n为气体的可逆多变指数；C为罐中初始状态气体绝对压力与体积的乘积；ξ为空气罐与主管道连接短管的阻力损失系数；HP1,NS和QP1,NS分别为空气罐上游管道最后一个节点的瞬时压力和瞬时流量；HP2,1和QP2,1分别为空气罐下游管道第一个节点的瞬时压力和瞬时流量；CP和CM分别为水锤C+和C-相容性方程的参量（可根据空气罐所在截面的上下游相邻节点前一时刻的流量和压力求得）；B为管道特征系数，与水锤波速和管道截面积相关。

图1 空气罐水锤分析的物理模型

3 空气罐水锤防护特性及其影响因素

3.1 工程概况

某供水工程输水管道长L=7 630 m，管径D= 800 mm，净扬程129 m，管线纵剖面如图2中的管轴线高程线所示；共安装3台水泵（2用1备）；单机额定流量Q=0.5 m3/s，额定扬程H=165 m，额定转速1 480 r/min，机组转动惯量GD2为220 kg·m2。

3.2停泵水锤分析结果

3.2.1 无防护措施，泵出口阀不关闭的情况

图2、图3分别为2台水泵同时发生事故停泵、泵出口阀不关闭条件下的压力包络线（图2中Hmax、Hmin、HCL、Z分别为最大测压管水头、最小测压管水头、初始测压管水头和管轴线高程）和水泵特征点变化过程（图3中h，v，α，β分别为水泵的无量纲扬程、无量纲流量、无量纲转速和无量纲转矩，为泵出口阀的水力开度）。从图2可以看出：在事故停泵过渡过程中，管线出现汽化压力及弥合水锤，管线中的最大水锤压力达到239.89 m；从图3可以看出，水泵的最大倒转转速为其额定转速的1.18倍，十分接近《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，因此，应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭。

图2 管线压力包络线（无措施，不关阀）

图3 水泵特征量变化过程（无措施，不关阀）

3.2.2 无防护措施，泵出口阀关闭的情况

综合考虑水泵倒转转速和水锤压力波动，经过不同关阀规律的比较计算，拟定泵出口阀的关闭规律为20 s线性关闭。图4为泵出口阀20 s线性关闭条件下的压力包络线。从图4可以看出：泵出口阀的关闭保护了机组，但加剧了管线中的水柱分离和压力上升，管线中的最大水锤压力达到395.97 m，不满足水锤防护的要求。

图4 管线压力包络线（泵出口阀关闭）

3.2.3 空气罐的水锤防护效果

为消除管线中的水柱分离，在水泵出口阀后点设置空气罐（罐体直径4 m、罐体高度4 m、初始气体体积占总容积的40%、连接管直径0.4 m）。图5为设置空气罐、泵出口阀20 s线性关闭条件下的压力包络线。从图5可以看出：空气罐的水锤防护效果非常显著，管线中的最大水锤压力降至214.99 m，管线中的最小水锤压力为-4.68 m，无汽化现象发生。

图5 管线压力包络线（设置空气罐）

3.2.4 空气罐水锤防护效果的影响因素分析

由空气罐的工作原理，在空气罐总容积（取50 m3）一定的条件下，空气罐水锤防护的效果可能与罐内初始气体体积、空气罐的截面积和连接管的直径相关。以下对上述因素对空气罐水锤防护效果的影响进行分析。

1）初始气体体积的影响

表1为空气罐总容积、空气罐截面积、连接管直径相同时，罐内不同初始气体体积条件下的事故停泵水锤计算结果。

表1 不同初始气体体积下的事故停泵水锤计算结果

从表1可以看出：初始气体体积越大，主管内的压力波动越小，最大水锤压力和负压越小，水锤防护效果越好；空气罐的存在使水泵的倒流时间提前，且初始气体体积越大，罐内气体的压力越大，机组的最大倒转转速越大；初始气体体积越大，空气罐内的初始水体体积越小，过渡过程中空气罐内的最小水深越小。

2）空气罐截面积的影响

表2为空气罐总容积、初始气体体积、连接管直径相同时，不同空气罐截面积条件下的事故停泵水锤计算结果。从表2可以看出：在空气罐总容积和初始气体体积相同的条件下，空气罐截面积对空气罐内的水深有较大的影响，截面积越大，罐内最小水深越小；但空气罐截面积对水锤防护效果的影响甚小，在保证罐内水体不漏空的条件下，不同罐体直径下的水锤防护效果基本相同。

表2 不同空气罐截面积条件下的事故停泵水锤计算结果

3）不同连接管直径的情况

表3为空气罐总容积、罐内初始气体体积和空气罐截面积相同时，不同连接管直径条件下的事故停泵水锤计算结果。从表3可以看出：在空气罐总容积、罐内初始气体体积和空气罐截面积相同的条件下，空气罐和主管道之间的连接管直径越大，水体流入、流出空气罐的阻力越小，改善负压的效果越好；但当连接管的直径大到一定程度后，随着连接管直径的增大，从空气罐流入主管的水体体积增大，在倒流阶段因泵出口阀关闭导致的关阀水锤压力反而增大。因此，对给定的泵出口阀关阀速率来讲，存在一个最优的连接管直径。