多起伏有压输水管道水锤防护措施研究

(1.华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州 450000；2.浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

当输水工程中供水系统发生事故停泵时，为防止管道内水流大量倒流使机组转速过高或机组长时间倒转使机组损坏需关闭泵出口阀门，但是阀门关闭过快会使输水系统中的水力参数发生变化，由此会产生较大的弥合水锤，严重时将导致管道爆管，破坏整个输水系统的运行。因此，为了确保泵站及输水系统的安全性和稳定性，需对输水工程进行水力过渡过程计算，预测输水系统的运行可靠性和危险工况，并提出合理的阀门关闭规律以及相应的防护手段[1-3]。

目前，输水系统中常用的水锤防护措施有设置合理阀门关闭规律，安装空气阀、空气罐以及调压塔等。郑兴兴等[4]通过对2台泵并联的20 km输水管道进行停泵过渡过程计算分析发现，单一的防护手段不能有效抑制水锤破坏的发生，空气阀和单向塔作为供水系统的水锤联合防护措施较为可靠。兰刚等[5]对某在建供水工程停泵水锤进行数值模拟，结果发现空气罐与空气阀相结合能有效减轻水锤对管道的破坏。本文对抽水断电工况下某城市输水管线进行水力过渡过程计算与分析，并提出合适的防护手段。

1 工程概况

某城市供水工程供水线路全长12.183 km，采用1×DN350 mm铸铁管，管道线路长且起伏较大，沿途局部存在高点，管中心线高程在137～212 m，设计供水流量501 m3/h。取水泵站加压泵站，安装3台卧式双吸离心泵，其中2台工作，1台备用。水泵主要技术参数如表1所示，供水线路管中心线高程图见图1。

表1 水泵主要技术参数

2 水锤防护措施

空气阀是一种用于防止水泵抽水断电管道内产生负压的特殊阀门，其作用是当管道中出现负压时，空气阀自动打开，从外部向管道内进气，抑制管道内过低负压，避免管道遭到破坏；当管道内压力过大，空气阀会将管道内滞留气体排出，避免滞留气体危及系统安全[6]。空气阀的进排气量除了与该位置管道中内水压力相关外，还受到空气阀自身孔口面积及泵出口处阀门关闭规律等因素的影响。

图1 供水线路管中心线高程图

空气罐的作用是当管道中出现负压时，空气罐中的水体向管道中补水来抑制管线沿线负压，并通过空气罐中的高压气体抑制水体倒流而产生的高压。空气罐通常设置在水泵出口附近的管道上，其对安装场地和安装高程没有特殊要求，只要可以保证空气罐容积足够大并且罐内部压力能够作用到需要保护的范围，就能将防护范围扩大到整条供水管线。

综合上述，结合两种水锤防护措施的优点，可选用空气罐和空气阀联合防护的方式，空气罐在消除管道过大正压与负压时空气阀作为辅助措施，可以更有效地避免管线水锤危害的产生；空气罐的使用也大大减少了空气阀的数量。

3 计算结果及分析

3.1 稳态工况恒定流计算

为详细分析供水线路的过流能力和管线工作压力，针对设计双机运行工况，分别开展最大扬程、设计扬程、最小扬程共3个典型工况的恒定流计算分析。通过对供水线路开展恒定流计算，在设计扬程、最大扬程和最小扬程下，该供水线路均能通过设计流量1 278 m3/h，管线无负压出现，满足运行要求。

3.2 无调压措施阀门拒动

本工程供水线路针对设计双机运行情况，选取最大扬程工况作为控制工况，开展水泵事故停机水力过渡过程计算分析，使输水管线沿线负压不超过-4m。根据供水线路供水系统图和线路布置图，现状管线沿线桩号0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000处共设有6个DN80 mm的空气阀，针对最大扬程工况开展水力过渡过程计算分析，计算结果如图2所示。

图2 事故停泵过渡过程计算结果

在该工况下，泵后产生了143 m的压力下降，该压力波的传播导致输水管道线路多段管线出现较严重负压，压力最小值出现在桩号8+210处，为-36.03 m，不满足规范要求。由于泵后阀门拒动，水泵抽水断电后管道内水流倒流，水泵发生反转，最大反转速为-2 785.7 r/min，在规范的允许范围内。沿线桩号0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000处空气阀进气，桩号8+400处空气阀进气量最大。为了消除管线存在的负压，达到保护输水管线安全目的，需要增设合适的平压防护措施。

3.3 空气罐与空气阀联合防护

由于管线起伏大，若单独使用空气阀作为水锤防护措施，通过计算需要空气阀的数量较多，且防护效果不理想，因此采用空气罐与空气阀联合防护。通过理论分析并优化，在线路原有空气阀的基础上，设置2个空气罐，空气罐设置位置分别在泵出口和桩号11+000处。经大量的面积与高度比选择计算后，关阀时间以10 s关闭泵后阀门为宜，选取方案如表2，其水力计算具体结果如图3所示。

表2 空气罐体型参数表

图3 事故停泵过渡过程计算结果

根据中华人民共和国国家标准——泵站设计规范(GB/T 50263-97)，事故停泵过程中，泵后压力允许上升值为水泵出口额定压力的1.3～1.5倍，反转转速不能超过额定转速的1.2倍，且持续时间不能超过120 s，从计算结果得出，沿线最大内水压力出现在桩号泵出口处，为148.07 m，最大反转速为-2 900.16 r/min，沿线最小内水压力出现在桩号12+200处，为-3.99 m，不超过-4 m，且空气罐水位安全运行范围内，满足管线运行要求。故在输水管线中采用空气罐与空气阀联合防护的方式是安全可靠的。

4 结语

本城市供水项目属长距离、小流量、加压与重力流并存的有压供水系统，在实际运行过程中，运行工况十分复杂，尤其是在水泵抽水断电、各种运行工况之间进行切换时，将导致整个输水系统发生水力过渡过程现象，进行输水系统过渡过程计算并对线路停泵水锤防护方案比选分析得到如下结论。

1)无调压措施阀门拒动工况下，事故停泵时水泵发生倒转，反转转速符合规范要求，但供水线路出现大面积负压，因此本城市供水项目的输水系统必须设置稳压措施，才能保证在泵站抽水断电时，该系统的供水安全。

2)单一的防护措施不能有效消除负压对输水管线运行安全的影响。在泵出口阀门选择合适的关闭规律的基础上，采用空气罐和空气阀联合防护，及时阻断管道水流倒流，避免水泵发生较长时间反转，管道沿程压力均控制在管道设计压力范围内，有效地保证了管道安全，推荐使用该方案。