长距离输水管线事故停泵水锤防护方法分析

张毅鹏，刘梅清,2，刘志勇,2，吴远为，薛 菲，梅 洁，荣志辉

(1.武汉大学 动力与机械学院, 湖北 武汉 430072；2.流体机械与动力工程装备技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430072)

在长距离输水系统中，水锤引发的管道中压力升高在设计阶段是一个重要的因素，在高扬程泵站中显得尤为重要。为了保证输水管线安全运行，在实际工程中，需要对输水管线进行详细的水锤计算分析，根据分析结果选择经济合理的水锤防护措施从而保证长距离输水工程的安全运行[1]。调压塔在水锤防护中是公认的最佳选择之一，调压塔可以在确保水锤防护效果的前提下降低自身安装高度，它与缓冲恒速排气阀的配合使用效果明显，水锤升压平稳，可控性较强，可以达到理想的水锤防护目的，值得推广使用[2]。对于长距离输水工程而言，综合采用多种水锤防护措施往往比单独采用一种措施具有更大的优势，应根据具体情况首先分析水锤类型，再根据管路特点并结合各种水锤防护措施自身的优缺点，选择既可以很好地预防水锤发生又经济合理的最佳方案，更好更稳定地保证管道系统安全运行。

1 工程概况

泵站主供水管道管材为BCCP管(管道承压≥1.0 MPa)，输水距离为6 457.989 m。泵站供水确定安装5台单级双吸中开卧式离心泵，其中设置4台大泵和1台小泵，运行方式为3台大泵+1台小泵，备用1台大泵；泵站分为2个泵组，5排出水管道，泵组布置示意图如图1，其中：泵组1由2台大泵组成，出水管道直径为DN1400；泵组2由2台大泵和1台小泵组成，出水管道直径为DN1 400；由于在供水系统中多以相同型号的水泵组合工作，不同型号的水泵组合并不多见，因此以图1中泵组2两台大泵与一台小泵的组合作为本文研究对象。

图1 泵组布置示意图Fig.1 Pump unit layout

根据泵站的大小泵组合布置方式及泵站供水流量需求，单台供水大泵流量为0.92 m3/s，单台小泵供水流量为0.46 m3/s，具体技术参数如表1所示。

表1 水泵技术参数表Tab.1 Pump Parameters

表2 泵站输水系统特征水位 mTab.2 Water level of pumping station

图2 泵站输水系统管线纵剖面图Fig.2 Profile of pipe

此输水工程为高扬程泵站，输水管道分布跨度大且多起伏，整个管道布置有一处明显的高点，遭遇停泵水锤事故时极易发生断流空腔再弥合水锤，因此，进行水锤防护计算是十分必要的。

2 常见的防护设备

空气阀是主要用于阻止发生停泵水锤时因压力降低产生负压而导致水柱分离的特殊阀门，空气阀一般安装在输水管线相对高点。空气阀具有自动开启或关闭的功能，当输水管道内水锤发生而负压出现时，空气阀开启，从而令空气进入管道内，避免较低的负压产生，发挥其作用保护管道系统；而由于温度或压力变化使管道内水中的空气释放出来时，空气阀及时将其排出，防止管道中由于形成气囊从而影响整个管道系统的安全运行[3]。在国内，输水管道通常每隔700～800 m 设置安装一处空气阀，而国外，一般每隔500～600 m 设置安装一处排气阀。在实际工程中，应根据输水管路水锤防护计算结合纵断面高程的具体情况确定空气阀的位置[4]。

单向调压塔是防止在输水管线产生负压和减小断流弥合水锤升压过高比较经济可靠的防护停泵水锤设备[5]。单向调压塔在设计时，要求调压塔有足够的容积，能够满足防止主管内产生负压过低引发的水柱分离所需的补给水量；而且单向调压塔的最低水位需要有足够的压力，可以给主管补水，最高水位应既有足够的补水量，又保证调压塔结构经济合理；补水管在补水过程中靠水体重力能够保证其补水的速度。在水泵正常工作时，单向调压塔注水管上的止回阀是关闭的；当发生停泵水锤并产生负压低于设定的安全值时，其止回阀快速启动，使大量的水迅速流向主管道，进而阻止整个管路系统出现过小负压以及发生水锤压力多处振荡危害。

综上所述，将单向调压塔与空气阀联合使用可以将两者的优势结合，单向调压塔在消除负压的同时利用空气阀排出管道的气体降低弥合水锤发生的概率；空气阀在运行过程中还可以将管道运行时原有的气团排出，防止出现由于气囊振荡产生的正压力。空气阀和调压塔均适用于长距离多起伏的输水工程，很多工程也将这种组合作为防护方法之一。

3 结果与分析

3.1 恒定流计算

表3是当设计流量2.41 m3/s，2大泵1小泵运行，单排DN1400的压力管道供水；BCCP管糙率取0.012；不同水位下的恒定流计算结果，水力坡度线如图3所示。

表3 泵站输水系统恒定流计算结果Tab.3 Calculation results of steady condition

图3 泵站输水系统恒定流水力坡度线及静水压力图Fig.3 Steady hydraulic gradient line

从表3中可以看出，在不同的净扬程下，大泵与小泵的工作点均位于设计点的右边，实际工作流量大于设计流量。随着运行水位的增加，水泵流量增加，扬程降低。

从图3可以看出，在不同净扬程条件下，沿线水力坡度线均位于管道中心线以上，各点均无负压出现。管道内静水压力随管中心高程增加而逐渐降低，管道末端压力高于管道轴线1.61 m，沿线压力值未超过管道的承压能力。

3.2 无防护设施下的停泵水锤

针对输水系统在最高净扬程运行时的停泵水锤进行分析，水泵出口管道上都安装了一个液控蝶阀，若阀门在事故停泵时无法及时关闭则不能保护水泵机组，在此工况下水泵突然断电时停泵水锤计算结果如图3所示。图4中Hmax、Hmin、HGL、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中心高程，图4中h,ν,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，τ为液控蝶阀的水力开度[6]：

(1)

从图4(a)、(b)中可以看出，在考虑液柱分离后，大泵在停泵后的12.16 s开始倒流，在停泵后的第19.12 s开始倒转，大泵的最大倒转转速为其额定转速的1.40倍；最大倒泄流量为额定流量的1.32倍；小泵在停泵后的0.25s开始倒流，在停泵后的第11.58 s开始倒转，小泵的最大倒转转速为其额定转速的1.42倍；最大倒泄流量为额定流量的1.27倍。两泵的倒转转速虽未超过《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，但是，也应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭，一方面防止水泵长时间超速倒转，另一方面防止出水管内的水大量倒流回进水池，造成水量和能量损失。由图4(c)可以看出，管道中压力沿管线低于管线高程，整个管道有负压产生，这会导致液柱弥合水锤发生。由图4(d)中可以看出，水泵出水母管起点的初始恒定流压力为90.29 m，由于泵出口阀后发生液柱分离再弥合，出水母管起点压力上升到停泵后最大水锤压力157.63 m，管线中的最大水锤压力为218.37 m，远大于正常运行时的压力，不满足《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”要求；管线大范围出现汽化(按-8 m考虑，下同)，单个计算节点的最大汽化体积495.13 m3。

图4 事故停泵过渡过程计算结果Fig.4 Calculation results of unsteady condition without any measures

3.3 蝶阀关闭规律的敏感性分析

当发生事故停泵导致输水系统发生水锤现象时，需要及时关闭泵出口的液控蝶阀，通过拟定不同的阀门关闭规律，进行最高净扬程，2大泵一小泵运行同时停，泵出口阀关闭条件下的事故停泵水锤计算，部分结果如表4所示。

表4 不同泵出口阀关闭规律下的事故停泵水锤计算结果Tab.4 Calculation results of unsteady condition using valve

根据表4的计算结果，可以看出，通过在水泵出口安装液控蝶阀，管道内最大正压力有明显的改变，采用两阶段关闭规律后的管道压力均小于采用线性关闭后的管道压力值，管内负压无明显变化，均出现汽化现象，说明采用适当的关阀规律可以降低水锤正压值，但是所有关阀规律下的管道正压力不满足“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍”要求，同时管道内出现汽化，这会引发液柱分离再弥合现象，导致二次水锤，使管内压力进一步升高，因此需要在管线中采取其他措施进行压力调节。

3.4 采用空气阀的水锤防护

为了将管线中负压过低引发的液柱分离消除并使最大负压尽量控制在-5 m之内，同时有利于系统启动过程中的排气，按照空气阀布置的基本要求并通过计算，拟在管线中布置9处口径为DN200的空气阀，其在管线上的安装位置如图5所示。

图5 空气阀安装位置示意图Fig.5 Air valves layout

拟定不同的泵出口关闭规律，进行最高净扬程，2大泵运行同时停，设置空气阀，泵出口阀关闭条件下的事故停泵水锤计算，计算参数与液控蝶阀防护方案相同，部分结果如表5所示。

表5为泵出口蝶阀与空气阀联合防护下的水锤计算结果，可以看出正压下降明显，表5中工况6相比于表4中工况6压力下降了61.14 m，这是由于液柱分离引发的弥合水锤不再发生，然而这个压力值远高于正常运行时的压力；沿线最小压力水头为-4.56 m，说明设置的空气阀可以降低沿线负压，但是由于排气量有限，在部分计算工况下仍然出现汽化现象，从而导致管道正压力升高。不同的关阀规律对管道压力产生明显影响，两阶段关闭规律要优于线性关闭的计算结果。但是根据表5的计算结果，可以看出，所有关阀规律下的最大压力不满足《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”要求，因此还需要在管线中采取其他措施进行压力调节。

表5 不同泵出口阀关闭规律下的事故停泵水锤计算结果Tab.5 Calculation results of unsteady condition using air valves

3.5 空气阀与单向调压塔联合使用的水锤防护

为了降低负压，消除事故停泵过程中发生的液柱分离现象，在增加空气阀计算结果的基础上，需要在管线中设置单向调压塔，经计算并进行敏感性分析，调压塔直径取3.5 m，塔内水深为4.5 m，补水管直径为0.6 m。单向调压塔的位置选取与空气阀类似，一般设置在管线中的局部高点处，在整个管线中只有两处明显的高点，桩号为GX1+548.283和GX5+600，对不同位置设置单向调压塔的防护结果进行敏感性分析。考虑三种组合方案：①只在GX1+548.283设置；②只在GX5+600设置；③两个位置同时设置；计算结果如表6所示。

表6 三种方案的计算结果Tab.6 Calculation results of different position using surge tank

由表6可以看出，三种组合的结果中，在桩号GX1+548.283起到了明显的补水作用，管道中的压力明显降低，调压塔内留有足够的水位；在桩号GX5+600处设置的调压塔无效，管线中的正压与负压没有改善，塔内水位没有发生变化，这是由于在负压波传播过程中，GX5+600之前的管线上已经安装了空气阀，空气阀通过排气已经将管道的负压升高，此处的调压塔已经不能发挥作用，因此选择桩号GX1+548.283为调压塔的安装桩号。

在空气阀与单向调压塔联合使用的情况下拟定不同的泵出口关闭规律，进行最高净扬程，2大泵1小泵运行同时停，设单向调压塔和空气阀，泵出口阀关闭条件下的事故停泵水锤计算，计算参数与空气阀+液控蝶阀防护方案相同，部分结果如表7所示。

表7 不同泵出口阀关闭规律下的事故停泵水锤计算结果Tab.7 Calculation results of unsteady condition using surge tank

从表7中可以看出，增加调压塔后管道内正压下降明显，特别是采用了两阶段关阀规律后，表7中工况4相比于表5中工况4最大压力下降了一倍；全管线负压改善明显，除了线性关闭规律，负压都保持在-5 m以上，这也说明阀门的关闭规律对管道内正负压力有明显的影响；在进行选择时，两阶段关闭规律要优于线性关闭，这是因为水泵在断电后初期仍然处于正转，此时阀门先以一定速度关闭，对水流形成阻力，当水流开始倒流时，阀门开始缓慢关闭，保证管道的压力和流量逐渐减小。根据表7的计算结果，拟定泵出口阀的关闭规律为：大泵6 s/75°，60 s/15°两阶段关，小泵5 s/75°，45 s/15°两阶段关闭，计算结果如图6所示。

从图6(a)、(b)中可以看出，大泵在停泵后的9.09 s开始倒流，在停泵后的第15.42 s开始倒转，大泵的最大倒转转速为其额定转速的0.99倍，最大倒泄流量为额定流量的0.79倍；小泵在停泵后的0.25 s开始倒流，在停泵后的第10.90 s开始倒转；以上参数均满足《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。从图6(d)中可以看出，水泵出口母管的最大水锤压力为107.24 m，该点的初始恒定流压力为90.29 m，管线中的最大水锤压力为107.24 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”要求；管线中的最大负压为-3.16 m，满足“管线上最小压力不应低于-5 m”的要求。从图6(e)中可以看出，当管道内的压力降至低于单向调压塔内的水头时，水从单向调压塔流入管道，在补水过程完成后，单向调压塔内留有1.34 m深的水体，留有足够的安全裕量。当采取了调压塔和空气阀进行联合防护后，整条管线水锤产生的压力均控制在管道承受压力(1.6 MPa)之内，对整个管线影响较小；除局部外整条管线基本无负压，局部负压也达不到汽化压力，对管线不构成破坏。

图6 事故停泵过渡过程计算结果Fig.6 Calculation results of unsteady condition using surge tank

4 结 论

本文主要针对高扬程长距离引水工程停泵水锤进行了计算和分析，根据无防护停泵水锤计算结果选用相应的防护措施进行防护，最后采用两阶段关阀规律与空气阀、调压塔的联合水锤防护措施，能有效减小管线最大水锤压力，防止管道中发生液柱分离及再弥合现象，避免汽化压力出现，减小管道负压段范围，起到了较好的水锤防护效果，获得可靠的防护方案，并获得以下结论：

(1)对于高扬程多起伏长距离压力输水工程需要设置水锤防护措施，当发生事故停泵单独采用一种措施往往达不到很好的防护效果，将空气阀与单向调压塔进行组合的防护措施具有明显防护效果，可以将管线的压力控制在规定的范围内。

(2)泵出口阀门的关闭规律对管道内压力的计算结果有较大影响，两阶段关闭规律的计算效果要优于线性关闭规律，通过优化阀门关闭速率，可以进一步减小管线最大水锤压力，最终水泵出口阀的关闭速率选用两阶段关闭：大泵6 s快关75°，60 s慢关15°；小泵5 s快关75°，45 s慢关15°；水泵出口处安装液控蝶阀可以有效地控制水泵的倒转转速及倒流时间从而保护水泵。

(3) 将单向调压塔装设在起伏管道的高点处，可有效提高起伏管道其他高点甚至整个管道的负压及降低停泵水锤带来的升压，因此特别适用于长管道的泵系统。通过对典型工程的计算分析表明，单向调压塔既可以防止负压产生液柱分离，也可防止由于分离的水柱弥合而产生的水锤压力升高；调压塔应保证在正常工作时塔内水内水位不发生露底。因此调压塔是一种经济、安全、可靠的水锤防护措施。

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