缓闭蝶阀关闭规律对事故停泵水锤的影响

邱象玉 王浩 孙庆宇

摘要：采取有效措施降低事故停泵时泵站系统的最大正压、水泵的最大反转速及反转持续时间是避免事故停泵水锤危害发生的关键。针对长距离输水泵站事故停泵普遍存在的倒转及最大正压引起的泵站系统安全问题，以北京市某重点水利工程为例，利用成熟的hammer软件，对该工程泵站系统事故停泵水锤进行了数值模拟计算。通过分析缓闭蝶阀线性关闭及两阶段关闭规律对最大压力、倒转转速的影响，最终推荐了该工程合理的缓闭蝶阀关闭时间规律。结果表明：泵后缓闭蝶阀两阶段关闭规律对事故停泵水锤最大反转速及反转持续时间有较大影响，合理的缓闭蝶阀两阶段关闭规律能有效降低甚至消除事故停泵水锤，是泵站系统事故停泵水锤防护的有效措施。

关键词：停泵水锤;缓闭蝶阀;泵站系统;数值模拟

中图分类号：TV134.1;TV672.2

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 023

水泵事故斷电时若不采取有效的水锤预防措施，会形成严重的事故停泵水锤[1]。常见的事故停泵会造成管路漏水、停水，严重时会造成叶轮飞逸，泵房被淹，甚至水泵、阀门设备破坏造成人员伤亡事故。国内的专家学者已经在事故停泵水锤防护措施方面进行了大量研究，取得了许多成果[2-3]。邓安利等[4-6]针对事故停泵系统负压对水锤的影响，研究采取空气罐及排气阀防护措施来解决负压问题。林琦等[7-8]针对事故停泵数学模型指出了常用计算方法的不足，并在调整算法、改进时间步长等方面对模型进行了改进。杨晓蕾等[9-10]研究了蝶阀线性关闭规律对重力流系统的影响，但未涉及压力供水系统。黄时锋等[11-12]对压力供水系统水泵出口阀关闭规律进行了研究，重点分析了压力供水系统正压及负压，并提出了相应的防护措施。但是缓闭蝶阀关闭规律对于压力供水系统事故停泵水泵倒转的影响往往被忽视，采取有效措施降低事故停泵时水泵的最大反转速及反转持续时间是避免事故停泵水锤危害发生的关键。笔者利用成熟的hammer软件，结合北京市重点水利工程，对泵站系统事故停泵水锤进行了数值模拟计算，并采取泵后设置缓闭蝶阀措施，分析了缓闭蝶阀关闭规律对事故停泵水锤的影响。

1 缓闭蝶阀数学模型的建立

hammer软件是目前国内外比较成熟的水锤计算软件，通过建立系统中水泵、阀门、管道等关键设备的数学模型，并赋予初始计算条件，采用成熟的特征线法[13]反复迭代计算来模拟泵站系统事故停泵水锤。本文研究对象主要为与事故停泵倒转密切相关的泵后缓闭蝶阀数学计算模型。蝶阀通用数学计算模型[14]原理及计算公式如下。

假设蝶阀已经安装在已知的两段管道之间，蝶阀的孔口方程需与两端连接的管道联合处理，同时考虑管道中的水流可以反向流动。在模型中，蝶阀中流体的加速或减速影响可忽略不计，即蝶阀中流体体积恒定不变，那么蝶阀出流的瞬变过程即可满足稳态阀门孔口方程：

2 水锤计算与结果分析

2.1 设计实例

以某实际泵站工程为例，该工程设3台卧式离心泵（两用一备）。单泵设计流量5 m/s，设计扬程55.8m，水泵额定转速495 r/min，单泵配套功率2 500 kW。系统净扬程约33.5 m，管路损失约20 m，输水管道总长约22.5 km，采用DN2600的PCCP管单管输水。泵站工程系统如图2所示。

工程中泵后缓闭蝶阀设计采用DN1600液控缓闭蝶阀。液控缓闭蝶阀具有止回阀和闸阀的双重功能，该阀门的突出优点是在事故断电时可以通过液压操作系统来控制阀门的启闭，从而避免阀门断电拒动，造成停泵事故水锤现象。根据厂家提供的蝶阀流阻曲线图得到的各开度下阻力系数曲线如图3所示，其中：开度90°为全开，0°为全关，蝶阀全开时阻力系数ξ= 0.137。

2.2 计算分析目的

根据泵站设计规范要求，长距离输水工程事故停泵时，水泵及管路系统的水锤瞬态参数应满足[15]：①离心泵的最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的时间不应超过2 min;②管路系统的最大压力不应超过水泵出口额定压力的1.5倍：③输水系统任何部位不应出现水柱断裂。由于该工程输水管路系统较长、流量较大，且管材为大口径的PCCP管（管道承压能力有限）等，因此事故停机时系统允许最大压力水头≤80 m.最小负压水头≥-3.5 m（负号仅表示负压），水泵最大倒转数不允许超过额定转速，倒转持续时间不允许超过2 min。

本文计算分析的目的是：通过多种开关规律分析计算优化调整泵后液控缓闭蝶阀在事故停机时的关闭规律及时间，以确保系统发生事故停机时能够满足规范设计要求，保证系统安全稳定运行。

2.3 计算内容及结果分析

事故停泵产生水锤的常见原因有两种：一是管理人员操作失误;二是天灾导致事故断电。长距离输水工程在事故停机时泵后缓闭蝶阀拒动是不允许的，阀门拒动将引起严重的水锤事故，尤其水泵倒转及水柱断裂会对泵站及管路系统造成严重的危害。

水泵事故停机时，液控缓闭蝶阀开关规律对泵站系统安全稳定运行起着关键的作用，阀门关闭的快慢对管路系统最大、最小压力的波动较大，而且阀门关闭的时间长短尤其影响水泵的最大反转速度。利用hammer软件建立泵站系统模型，以模拟分析泵站系统事故停机过程。

2.3.1 事故停机缓闭蝶阀拒动规律分析

模拟计算事故停机时阀门拒动规律，可以确定泵站及管路系统最大、最小水头包络线，以及水泵最大倒转数、倒转时间。分析这些关键参数是否满足规范要求，从而为下一步缓闭蝶阀关闭规律分析计算提供参考。

图4中事故停机泵后液控阀门拒动时，系统管路最大压力水头为62.0 m.最小压力水头为-4.0 m，系统最大水锤压力为额定压力的1.12倍，满足设计要求。

图5中事故停机泵后液控阀门拒动时，系统管路最大倒转速度为-469 r/min.约为额定转速的0.95倍，已经很接近额定转速，而且水泵倒转从事故断电150 s开始持续到800 s左右，倒转持续时间在10 min以上，但是倒转均未超过额定转速。

从以上分析可以得出，该泵站系统在事故停机泵后液控阀门拒动时（即泵后阀门不动作，常开状态），存在严重的水泵倒转现象，会危害系统的安全运行，因此必须采取必要措施避免阀门拒动。

2.3.2 事故停机缓闭蝶阀线性关闭规律分析

泵后蝶阀线性关闭规律是指：泵站发生事故停机时，泵后缓闭蝶阀立即执行线性均匀关闭，直至蝶阀完全关闭为止。对水泵事故停机时泵后液控缓闭蝶阀线性关闭按关闭时间长短进行计算，进而分析事故停机时泵后蝶阀线性关闭对事故停机的影响。

该工程管线距离较长，泵后蝶阀为DN1600.管径较大，因此根据时间间隔25—50 s分析计算10种液控蝶阀线性关闭规律，计算工况及结果见表1。

表1、图6中事故停机泵后缓闭蝶阀间隔时间线性关闭时，系统最大压力呈周期性波动，波动周期约250 s：与事故停机阀门拒动工况相比系统最大压力明显增大，无论关闭时间长短，系统正压普遍增大1.5。2.0倍.远远超出安全允许范围。但是线性关闭对于系统负压的影响很小，管路系统最小负压几乎无明显变化。

图7中，线性关闭150 s左右开始出现倒转，而且随着关闭时间的延长，倒转转速、倒转持续时间与线性关闭总时间成正比。可见泵后缓闭蝶阀线性关闭时，关闭总时长是影响水泵倒转的关键因素。

2.3.3 事故停机缓闭蝶阀两阶段关闭规律分析

所谓泵后蝶阀两阶段关闭规律是指：泵站发生事故停机时，泵后缓闭蝶阀立即执行快关缓闭，即大角度快关，小角度慢关，直至蝶阀完全关闭为止。对水泵事故停机时泵后液控缓闭蝶阀按快关缓闭时间长短进行计算，可以分析事故停机时泵后蝶阀两阶段关闭对事故停机的影响。

该工程管线距离较长，管径较大，因此根据时间间隔快关缓闭25～50 s分析计算10种液控蝶阀线性两阶段关闭规律，计算工况及结果见表2，表2中所列大角度快关角度为80°，小角度慢关角度为10°（其余关闭角度工况太多，这里不一一列举）。

表2、图8中事故停机泵后缓闭蝶阀两阶段关闭时，系统最大压力降低明显，在两阶段关闭总时长250 s前后达到最小值。图9中两阶段关闭时水泵在150 s左右开始出现倒转，而且倒转转速随着两阶段关闭总时长的增长而增大，但与线性规律相比，倒转转速明显降低，远远低于水泵的额定转速。

最终经多种缓闭蝶阀关闭规律计算模拟及分析，泵后缓闭蝶阀快关100 s、慢关150 s两阶段关闭规律可以完全满足系统安全运行要求，此时系统最大压力水头为70.2 m.水泵最大反转速远远低于规范限定值。

3 结论

针对北京市某重点水利工程，对长距离输水工程泵站及管路系统事故停泵水锤及泵后液控缓闭蝶阀关闭规律进行了数值模拟计算，得出以下结论。

（1）泵后蝶阀拒动会造成严重的水泵倒转现象，事故停泵时蝶阀建议采用液压驱动方式，避免与水泵同时事故断电，以防止蝶阀拒动现象发生。

（2）泵后蝶阀线性关闭时，水泵倒转及持续时间与关闭时间的长短成正比关系，关闭时间越长对水泵倒转影响越大。蝶阀线性关闭会使系统最大压力整体提升1.5～ 2.0倍，可见缓闭蝶阀线性关闭规律不能满足压力供水系统事故停机安全运行要求。

（3）合理的泵后缓闭蝶阀两阶段关闭规律可以明显改善并优化压力供水系统最大压力及水泵倒转等指标，对于事故停机泵站系统的安全运行起着关键作用。

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