长距离有压管道输水停泵水锤防护措施分析

郑 英，谷 峪

（山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100）

受地形、地质条件的限制，长距离有压管道输水工程沿线不可避免地存在陡坡、局部凸起及凹下。因此，在实际工况调节中，极易产生严重的水锤事故。为保障系统的安全运行，对长距离有压管道输水系统进行不利工况的水锤计算分析及防护措施研究至关重要。

1 实例分析

胶东调水工程高疃泵站至高位水池段输水管线长度为4.708km，采用钢管输水，管径为2000mm。高疃泵站设计流量5.5m3/s，安装4台800S65型双吸离心泵，3用1备，其中2台可调速运行，设计扬程为65.69m，水泵特性曲线如图1所示。泵站前池运行水位为30.68m，最低运行水位为28.50m，最高运行水位31.68m；高位水池设计运行水位为87.53m，最低运行水位86.8m，最高运行水位93.5m。

图1 水泵特性曲线

1．1 稳态计算

输水工程的稳定运行状态是瞬变过程计算的起始状态，为了有效的分析瞬变过程，并制定合理的水锤防护措施，本文首先研究了输水管道在设计工况下的稳态运行状态。在设计工况下，1#水泵按照额定转速运行，流量为1.92m3/s，2#、3#机组调频运行，水泵转速调整为额定工况转速的0.99，其流量分别为1.79m3/s，沿线稳态运行的测压管水头如图2所示，满足沿线管道压力要求。

图2 设计工况下稳态运行的测压管水头图

1．2 泵站事故停机，阀门拒动工况分析

对于水锤计算分析及其防护措施的研究是在设计工况稳定运行的基础上，以泵站事故停泵、阀门拒动工况为例。模拟时间为2000s，通过模拟该工况的瞬变过程，得到其对应的水泵相对流量、相对转速变化曲线以及管道沿线压力包络线分别如图3、图4所示。

图3 泵站事故停机、阀门拒动工况下水泵相对流量与相对转速变化曲线图

图4 泵站事故停机、阀门拒动工况下输水管道沿线压力包络线图

由图3、图4可知，水泵出现倒转、倒流现象，约15.7s开始倒转，最大相对倒转转速约为-1.061，最大相对倒流流量为-0.627，满足设计规范要求。系统最大压力为82.932m，满足设计规范要求，最小压力为-47.235m，不满足要求。为保障系统安全运行，需研究输水管线负压防护措施。

1.3 事故停机，阀门拒动工况设置空气阀水锤防护

由于泵站事故停机、阀门拒动出现了较大的负压，会产生严重的断流弥合水锤，威胁系统的安全运行，因此考虑在管线中增设空气阀以消除负压。

通过在最小压力处增加进出气口直径为300mm，微量孔直径为24.5mm的空气阀，循环计算，直至最小压力满足设计需求。经计算，需在表1所示的位置布设空气阀。增设空气阀后，系统最小压力为-5.638m，最大压力压力为72.363m，满足安全运行要求，其沿线压力包络线如图5所示。

分析表1中空气阀的设置位置，可发现在地形起伏较小的桩号为0+000～3+400段，仅需在凸起位置适当的设置空气阀即可，其间距约为1.5km；在地形较为陡峭的桩号为3+400～4+300段和4+700～4+800段，地形越缓，间距越大，约为300m，地形越陡，间距越小，约为60～160m。

表1 空气阀布设位置表

图5 泵站事故停机、阀门拒动工况下输水管道设置空气阀后沿线压力包络线

2 结论

本文以高疃泵站至高位水池段管道输水工程事故停泵、阀门拒动工况为例，研究分析了空气阀对于该工程的水锤防护效果，给出了系统最大水锤压力、最小水锤压力以及沿线极值包络线。结果表明：在管线较为平顺的区域间隔1.0～1.5km安装一个空气阀，在管线较为陡峭以及驼峰等处需增加空气阀，且管线越陡、空气阀设置间距越小。对于高疃泵站至高位水池段管道输水系统，沿线设置11个空气阀，可很好的消除管路中的负压，防止管路中产生水柱分离。