大口径泵压输水管道系统停泵水锤防护方案分析研究
2020-07-13孙玉涵王全锋刘绍谦
王 佳，孙玉涵，王全锋，刘绍谦
（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）
在泵压输水管道系统中，水泵机组不可避免地会因事故断电或人为误操作等原因引起开阀停机，从而引发停泵水锤。根据有关理论计算，停泵水锤造成的升压很大，尤其是断流空腔再弥合水锤[1]，排气不畅引起的气爆压力最高可达20～40bar，轻则会使泵压输水系统中的管道或设备遭到破坏，造成暂时供水中断事故；重则甚至导致水淹泵房、泵船沉没等重大事故。个别的，还因泵站水锤事故，造成铁路路基冲坏、人身伤亡等次生灾害[2]。因此，如何准确而周到地选定安全可靠、经济适用的停泵水锤防护措施及其设备，显得尤为重要。
1 停泵水锤防护措施
目前常用的停泵水锤防护措施大致可归纳为四种类型：
1）注水（补水）或注空气稳压（缓冲）：通过控制住系统中的水锤压力振荡，防止真空和断流空腔再发生弥合水锤引起的过高升压，一般有双向调压塔（池）、单向调压塔（池）、压力空气罐、空气阀等。
2）合理选择泵出口阀门类型，优化启闭规律，进行阀门调节与控制：阀门缓慢启闭，可减小输水管道中流速的变化率，从而可以减小水锤压力增减的幅度。为此，可选用两阶段关闭的可控阀（如液控缓闭止回蝶阀）或其它各种形式的缓闭止回阀。
3）泄水降压，避免压力陡升：主要措施有停泵水锤消除器、超压泄压阀[3]、水锤预防阀、防爆膜、设置旁通管、取消止回阀等。
4）其他类型：如选用转动惯量较大的水泵机组或增装惯性飞轮，在距离较长的输水管路中增设止回阀等。
2 数学模型及边界条件
2.1 水锤计算的特征相容方程
对于长度L的管道A—B，其两端点A、B边界在t时刻的瞬态水头HA(t)、HB(t)和瞬态流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：
其中：H——测压管水头；
t——时间变量；
△t——计算时间步长；
a——水锤波速；
g——重力加速度；
A——管道截面积；
Q——流量；
△L——特征线网格管段长度，
△L=a△t（库朗条件）；
k——特征线网格管段数，k=L/△L；
R——水头损失系数，R=△H/Q2。
2.2 水泵节点控制方程
2.2.1 叶轮边界水头平衡方程
设叶轮上、下边界节点编号为1、2，则根据式（1）、（2）可得叶轮边界水头平衡方程为：
式中：Hr、Qr——额定工况叶轮工作水头和流量，其他符号意义同前。
2.2.2 机组转动力矩平衡方程
式中：Tα——机组惯性时间常数，
GD2——机组转动惯性力矩；
nr、Mr——额定工况机组转速和动力矩；
βg——机组转动阻力矩无量纲值；
α0、β0、βg0——分别为α、β、βg的前一计算时步的值；其他符号意义同前。
2.3 空气阀的边界条件
空气阀边界条件的物理模型如图1所示。根据质量守恒定律，管内流入的空气满足：
图1 空气阀的边界条件
式中：p——空气压强；
i——时段△t初的气体体积；
Qi——空穴的起始流出流量；
QPi——空穴的末了流出流量；
QPXi——空穴的起始流入流量；
QPPi——空穴的末了流入流量；
m0——空穴中空气的起始质量；
RT——气体常数和绝对温度的乘积。
与之相连的管道相容性方程为：
建立压力水头HP与绝对压力p之间的关系：
式中：Hq——气压计的压力头；
Z——空气阀的入口到基准面的高度。
2.4 单向调压塔的边界条件
单向调压塔的物理模型可以简化为图2所示，其主要作用是通过对可能发生水柱分离的部位进行补水，以破坏产生水柱分离的条件，从而起到消除弥合水锤的作用。
图2 单向调压塔边界条件
设由调压塔流出的流量为QP3，则由连续性原理可知：
若单向调压塔底部高程为ZT，则任意时刻单向调压塔内水位HP3可由计算时段△t初的水位H3和流出水体的体积对应的水深，求得：
式中：Ast为单向调压塔的面积。
再加上主管道的相容性特征线方程，即
于是可得：
2.5 末端出水池的边界条件
对于末端出水池，其水锤相容性方程沿C+成立，其边界条件可表示为：
式中：NS、N分别为出水池及其前一节点处的节点编号；EL为出水池水位。
3 停泵水锤工程实例计算分析
3.1 工程概况
盐环定扬黄共用工程泵站更新改造前，主干线设置八座梯级泵站七级提水灌溉。泵站更新改造后主干线设置五座梯级泵站四级提水灌溉，梯级提水泵站示意图如图3所示。
一泵站（取水泵站）从黄河青铜峡东干渠取水，后经二、三、四和五泵站逐级提水至老盐池分水闸，闸后向南到达甘肃省分水点，向东到达陕西省分水点。每级泵站后接压力管道和明渠输水至下级泵站的进水池。
图3 一泵站～五泵站梯级提水示意
以三泵站为例，进行泵压输水管道系统停泵水锤的计算分析。
3.2 基本参数
三泵站供水目标为四泵站，设计流量10.93m3/s。安装水泵6台（5大1小，备用1台大泵），大泵设计流量2.81m3/s，设计扬程73.8m，小泵设计流量0.98m3/s，设计扬程73.6m。水泵进、出水管均采用钢管，大泵、小泵进水管管径分别为DN1600、DN900，出水管管径分别为DN1400、DN800，水泵出口阀门均采用可两阶段关闭的液控缓闭止回蝶阀。水泵共分3个泵组，分别为1大1小、2大和2大，泵站出水压力管道管材采用BCCP和PCP，管径为DN1800/DN2000/DN2000，输水距离3087m。
三泵站输水系统的特征水位见表1。
表1 三泵站泵组1、2、3输水系统特征水位
3.3 计算控制条件
依据《泵站设计规范》，结合工程实际情况，拟定水锤计算控制条件如下：
1）离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min[4]；
2）供水管道沿线最大压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；
3）供水管道沿线任何部位不应出现水柱断裂及负压脱流现象，结合本工程实际情况，管道沿线负压按-5m控制。
3.4 计算工况
由于泵组2和泵组3的过流流量大，输水系统的参数高，发生停泵水锤的危害程度比较大，因此以最高净扬程条件下2台大泵 （泵组2和泵组3）同时停泵工况作为控制工况，进行停泵水锤防护措施的选择，并对泵组2和泵组3的其它工况进行校核。
3.5 输水系统停泵水锤防护方案计算分析
3.5.1 液控止回蝶阀+空气阀
为将管线中的最大负压尽量控制在-5m之内，同时有利于系统启动过程中的排气，经反复试算，拟在管线中7处布置DN250快进慢排空气阀，桩号分 别 为 ：GX0+100、GX0+820、GX1+100、GX2+034.323、GX2+250、GX2+800、GX3+050。
拟定不同的液控止回蝶阀关闭规律，管道沿线设置空气阀，进行最高净扬程下2台大泵同时事故停泵水锤计算，计算结果见表2。
从表2可以看出，所有关阀规律下的管线最大、最小水锤压力均不满足计算控制条件的要求，因此还需要在管线中采取其它措施进行压力调节。
3.5.2 液控止回蝶阀+空气阀+单向调压塔
为了防止负压，消除事故停泵过程中发生的液柱分离现象，特别是断流弥合水锤，拟在桩号GX0+820处设置一处单向调压塔替换此处的空气阀，单向调压塔的基本参数为：塔体直径5m，初始有效水深4m，补水管直径2条DN600。
拟定不同的液控止回蝶阀关闭规律，管道沿线设置空气阀和单向调压塔，进行最高净扬程下2台大泵同时事故停泵水锤计算，计算结果见表3。
根据表3的计算结果，拟定泵出口液控止回蝶阀的关闭规律为：5s/75°-42s/15°两阶段关闭。水泵的最大倒转转速为其额定转速的0.98倍，水泵出口母管的最大水锤压力为121.39m，同时也是管线中的最大水锤压力；管线中的最大负压为-4.66m，满足计算控制条件的要求。
表2 不同泵出口液控止回蝶阀关闭规律下的事故停泵水锤计算结果
表3 不同泵出口液控止回蝶阀关闭规律下的事故停泵水锤计算结果
泵组2、泵组3的控制工况事故停泵过渡过程曲线如图4所示。
图4 事故停泵过渡过程曲线
从图4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1.08m深的水体，留有足够的安全裕量。
在采用上述分析的水锤防护措施下，对泵组2和泵组3其他工况进行校核计算，计算结果汇总于表4。
表4 事故停泵其它工况水锤计算结果汇总表（泵组2和泵组3）
4 结论及建议
1）液控缓闭止回阀能有效消除停泵水锤发生后引起的水泵反转，保护水泵机组。
2）液控缓闭止回阀和空气阀的联合使用，能够有效消除停泵水锤发生后引起的水泵反转，并能在一定程度上削减管道系统的水锤压力。
3）液控缓闭止回阀+空气阀+单向调压塔的水锤防护方案，能有效消除水泵反转和管道系统的负压水锤，且能把管道系统的最大水锤压力控制在安全范围之内，确保整个系统的安全稳定运行。
4）应密切监视单向调压塔内的水位信号，建立故障预警系统，防止因单向调压塔内的水位过高或者过低引起的安全隐患。
