大流量长距离供水工程水锤防护研究

张显羽，潘文祥，李高会

(1．国网新源福建厦门抽水蓄能有限公司，福建■厦门■361000； 2．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江■杭州■311122)

0　引　言

压力管道中因流速剧烈变化导致压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象[1]，而对于大流量长距离泵站供水工程，水泵失电还可能会使管线中某些部位的压力降至蒸汽压力以下，产生水柱分离及弥合水锤现象[2_3]；根据美国德尔福特试验室对弥合水锤的计算结果来看，弥合水锤产生的压力是正常工作压力的7倍[4]。为此，往往采用空气阀、空气罐或者调压塔等水锤防护措施防止水柱分离[5_7]。空气阀、空气罐以及调压塔在常规长距离输水工程中对水锤防护效果已做了一定研究[8_10]，特别是对高水头、小流量的长距离供水工程的研究已较充分[11_12]；但对于低扬程、大流量的泵站供水工程，由于流量较大，水泵失电采用何种经济合理的水锤防护措施则研究较少。为此，本文依托某低扬程、大流量的供水工程进行多种水锤防护方案计算分析，拟定合理的水锤防护措施。

1　工程概况

某工程输水线路设计流量为10 m3/s，由取水泵站、输水管道、输水隧洞及进/出口组成，输水线路总长约为8.8 km，仅在出口布置一小段隧洞进入水库，其中输水管道DN2000双管，长度8.15 km；DN2600单管，长度0.5 km；隧洞内设置钢衬，管径2.6 m，长度170 m。取水点水位4.5 m，出口水库死水位20.82 m，正常蓄水位29.14 m。泵房共设置5台水泵机组，4用1备，额定转速485 r/min，设计扬程30.0 m，转动惯量66.2(泵组)+1 850(电机)kg.m2。

2　计算方法

选取4台泵全部失电为计算工况，采用华东勘测设计研究院有限公司自主开发的长距离有压供水系统水锤防护计算软件HysimCity进行计算；该软件采用结构矩阵法为基准架构进行编程，并且已在多座供水工程中进行了应用。

计算模型如下所示(见图1)，首先在无防护措施下进行水泵失电计算，计算结果如下所示(见图2)。

从图2可以看出，4台泵全部失电后管线最大压降达到38.04 m，最大负压为-6.87 m，可能导致液体局部汽化，进而产生水柱分离及弥合现象，发生较大水锤压力；从而导致管道破坏，因此需采用水锤防护措施保证供水管线的安全。

图1　计算模型(未设水锤防护措施)

图2抽水断电后沿线压力变化(无水锤防护措施)

3　结果与分析

3.1　设置空气罐方案

空气罐是水锤防护措施之一，是一个上部为压缩空气、下部为水的压力容器(类似于水电站采用的气垫式调压室)。一旦发生事故停泵，空气罐中高压气体快速膨胀，向管道中补水以减少负压，防止产生水柱分离。当管道中压力上升，出水管中的高压使水流入空气罐中，使罐内空气压缩，从而减小管道中的压力上升。空气罐工作可靠，水锤防护效果好；但对于低扬程、大流量的供水工程，水泵抽水断电时，由于管线引用流量较大，空气罐补给管线水量较大，因而所需空气罐容积较大。

经试算，为满足输水系统任何部位瞬态过程最小压力值不小于-5 m[13]的设计要求,计算结果如下所示(见图3～图5)；空气罐断面积需达到150 m2，高度12 m，底部高程3.0 m，顶部高程15.0 m，阻抗孔直径取1.38 m。考虑到如此大的空气罐工程制造难度及造价，可以认为空气罐方案并不适合低水头、大流量供水工程。

图3　抽水断电后沿线压力变化(空气罐方案)

图4　空气罐压力变化过程线

图5进出空气罐流量变化过程线

3.2　设置空气阀+双向调压塔方案

在泵站输水系统中，通常将空气阀设置在管道局部凸起位置，当管道充水及产生负压时，通过空气阀排气和进气来维持管道内压力稳定，避免水流中断。充水过程中的排气以及事故情况下的水锤防护的双重功能使得空气阀在供水工程中被广泛应用。双向调压塔是一个接到输水管路上的开敞式水塔，管道中压力降低时，调压塔迅速给管道补水，以防止或减小负压，避免出现水柱分离；水锤压力上升时管道中的水倒流入调压塔，可以减小水锤压力。根据地形条件，在管线高程最高点布置双向调压塔，经试算，该供水工程单根管线在各凸起处共设置6个空气阀以及最高点处设置面积为50 m2、高度15 m的双向调压塔才能满足压力控制标准，计算结果如下所示(见图6～图8)。

图6　抽水断电后沿线压力变化(空气阀+双向调压塔方案)

图7　调压塔水位变化过程线

图8进出调压塔流量变化过程线

从图6可以看出，抽水断电时，沿线最小压力值为-4.85 m，最大压力值为40.61 m，基本满足设计要求；但调压塔尺寸较大，工程造价及维护费用较高，故对于大流量供水管线，由于所需的调压塔塔容和塔高较大，调压塔水锤防护方案亦非理想方案。

3.3　设置空气阀方案

空气阀具有价格低廉、安装容易等优点，是一种经济的水锤防护设备。通过试算，该供水工程单根管线在各凸起处共设置9个空气阀便能满足压力控制标准，同时为了对最大水锤压力值进行控制，对泵后阀门关闭规律进行优化，最终确定采用先快后慢两段折线关闭规律，即采用10 s关闭至20%，然后用50 s关闭剩余开度。4台泵全部抽水断电时，沿线最小压力值为-4.9 m，最大压力值为41.38 m，计算结果如下所示(见图9～图11)。该方案能够满足运行调度控制要求，且较为经济。

图9　抽水断电后沿线压力变化(空气阀方案)

图10　泵后阀门开度变化规律

图11泵后压力变化过程线(空气阀方案)

4　结　语

通过对某供水系统在设置不同水锤防护措施时事故停泵水力过渡过程仿真计算分析，对比了3种常用的水锤防护措施在低扬程、大流量供水工程中的防护效果。通过理论分析和数值计算发现，采用空气阀以及优化泵后阀门关闭规律作为水锤防护措施能够取得较好的水锤防护效果，且安装容易、造价较低，是良好的防护方案。本文亦可为类似供水工程提供参考。

参考文献：

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[2]倪木子，夏圣骥.输水管线水锤产生及防护研究进展[J]，甘肃水利水电技术，2013，49(10):11_13.

[3]A.Bergant，A.R.Simpson.Water Hammer with Column Separation：A Historical Review[J].Journal of Fluids and Structures，2006(22): 135_171.

[4]杨开林.电站与泵站中的水力瞬变及调节[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[5]张健，索丽生，胡建永，等.长距离供水工程单向塔设置分析[J]，水力发电学报，2011，30(1): 49_56.

[6]胡建永，张健，祁舵.长距离输水系统中空气阀的运行特性研究[J]，水力发电，2007，33(10):61_63.

[7]Stephenson D.Simple Guide for Design of Air Vessels for Water Hammer Protection of Pumping Lines [J].Journal of Hydraulic Engineering (ASCE)，2002，128(8):792_797.

[8]刘志勇.沿江取水泵站停泵水锤防护措施比较[J].农业机械学报，2005，36(7): 61_64.

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[10]■胡建永，方杰，张健，等.空气阀在长距离输水系统中的水锤防止作用[J].人民长江，2008，39(1): 63_65.

[11]■李高会，潘益斌.高水头小流量泵站提水工程水锤防护研究[J].灌溉排水学报，2015，34(z2): 64_68．

[12]■夏龙兴，李宗坤.高扬程取水泵站水柱分离与断流弥合水锤防护措施[J].华北水利水电学院学报，2004，25(4):14_16.

[13]■GB 50265—2010，泵站设计规范[S].