高扬程有压输水工程中空气罐水锤防护效果研究

杨诚志 庞 宇 李 浩

（ 华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450000）

近年来，因水资源的时间空间分布不均，且人类社会对水资源的需求日益增加，水资源的供需矛盾逐渐升级。为了解决水资源的相关问题，近年来我国建设了南水北调工程、胶东引黄调水工程、引汉济渭工程等长距离输水工程。当前，由于有压管道输水方式损耗小、受污染程度小，应用越来越广泛，如云南省滇中引水工程、延安黄河引水工程等[1]。当前，调水工程规模日益增大，输水设计扬程也日益升高，水锤防护也提高了困难程度，从而导致水锤更容易产生，可能会引起严重的事故，如管线爆裂、水力部件损坏等，对于高扬程有压输水管线存在着严重的安全生产隐患。高扬程有压输水工程具有输水管线陡峭、易产生水锤的特点，对输水安全性要求极高，需要高度重视高扬程有压管道的安全隐患[2]。

对于高扬程有压输水工程，空气罐是一种有效的水锤防护措施[3]。通常空气罐设置在水泵后设置的液控蝶阀或止回阀后，在水泵正常工作时，管线中的内水压力将空气罐中的空气进行了压缩，在罐中的水和空气因密度不同而分层，上层为空气，下层为水[4]。当水泵抽水断电或因其他原因停泵，管线中的压力迅速降低，空气罐内空气因管道压力降低而膨胀，将下层水压入管线中，从而起到防止水锤的作用；当泵出口阀门快速关闭，管线压力迅速上升，管线水流压入空气罐中，空气罐中空气压缩，使管线中压力减低，起到保护管线的作用[5,6]。

1 输水管道中空气罐水锤防护数学模型

1.1 有压管道恒定流数学模型

本研究的输水形式为泵站加压输水，水头损失主要为沿程水头损失。恒定流计算采用有压管道恒定流基本方程——伯努利能量方程开展，控制方程如下：

式中：z 为位置水头，P 为压力水头，g 为重力加速度，v 为水流流速，hw为水头损失。为了计算的准确性，计算中同时考虑管径变化和弯管处等局部水头损失带来的影响，并按一定的系数折算成沿程水头损失。

1.1.1 沿程水头损失计算

管道中水流雷诺数Re=vd/v》2300，处于紊流阻力平方区，沿程水头损失按达西- 魏斯巴赫公式计算，即

1.1.2 局部水头损失计算

式中：hf为局部水头损失，ζ 为水头损失系数，该值可通过参考相关规范或试验得到。

1.2 水锤计算特征相容方程

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程为：

式中：

H——测压管水头；Q——流量；

D——管道直径； A——管道面积；

t——时间变量； a——水锤波速；

g——重力加速度；x——沿管轴线的距离；

f——摩阻系数； β——管轴线与水平面的夹角。

对于长度L 的管道A-B，可建立如下特征相容方程：

其中：△t——计算时间步长；

ΔL——特征线网格管段长度；

k——特征线网格管段数；

R——水头损失系数。

式（6）、（7）均只有两个未知数，将其分别与A、B 节点的边界条件联列计算，即可求得A、B 节点的瞬态参数。

2 工程概况

某西南城市高扬程有压输水工程是由进水池、管线、高位水池、泵站组成。进水池最高/设计运行水位：1020.40m，最低运行水位：1017.88m；泵站出水口新建高位水池，压力钢管进入高位水池采用淹没出流方式。出水管中心高程：1625.55m；高位水池特征水位为：最高/设计运行水位：1625.25m，最低运行水位：1623.07m。泵站设计流量250m3/h，特征扬程：最高几何扬程607.37m，设计几何扬程604.85m，最小几何扬程602.67m。水泵几何参数如下：型式为卧式多级离心泵，级数为9 级，设计流量125m3/h，设计扬程642m，设计点效率70.75%，额定转速2980r/min，水泵转动惯量（有水）1.5kg.m2，水泵台数3 台（2 主1备）。配套异步电动机（空冷方式），功率为450kW，转速为2980r/min，电压为10kV，电机转动惯量（有水）为7kg m2，泵后设置止回阀。本工程管线高程图如图1 所示。

图1 管中心线高程图

3 输水系统过渡过程计算分析

3.1 计算工况选择

为详细分析空气罐在高扬程输水线路中的作用，需对本工程最不利工况进行过渡过程的计算分析，即针对本工程双机运行工况，开展最大扬程典型工况的过渡过程计算分析。

3.2 无调压措施水泵事故停机水力过渡过程计算

本过渡过程研究采用AFT-impulse 软件进行建模及计算。根据本工程输水线路供水系统图和线路布置图，讨论最不利工况，即针对最大扬程无调压措施情况下两台水泵同时事故停机工况，开展水力过渡过程计算分析，计算结果如图2 所示。

图2 最大扬程无调压措施两台水泵同时事故停机管线内水压力包络线

事故停泵过程中，管道系统中瞬时最大压力不应大于工作压力的1.3 倍～1.5 倍，管线沿线负压不低于-2m，水泵最大反转转速不能超过额定转速的1.2 倍，且超过额定转速的持续时间不超过2min。从结果可以看出，在最大扬程两台水泵同时事故停机工况下，本工程输水线路出现较严重负压，内水压力最小值为-31.29m，不满足最小内水压力控制要求；内水压力最大值为714.59m，满足最大内水压力控制要求；因泵后设置止回阀，水泵未发生反转。沿线最小压力不满足规范要求，需要增设水锤防护措施。

3.3 空气罐防护水泵事故停机水力过渡过程计算

在最大扬程工况下，两台水泵同时事故停机工况时，本工程输水管路沿线出现严重负压，需要设置平压措施。根据本工程的特点，重点开展空气罐水锤防护方案的优化分析。经大量优化计算分析，针对本工程空气罐水锤防护方案如下：设置参数相同的空气罐1 个，设置位置为桩号为6+646.18，具体参数见表1，其过渡过程计算具体结果如图3 所示。

图3 最大扬程空气罐防护两台水泵同时事故停机管线内水压力包络线

表1 空气罐体型参数表

从计算结果得出，在最大扬程两台水泵同时事故停机工况下，沿线最大内水压力出现在桩号0+273.04 处，为746.03m，满足最大内水压力控制要求；沿线最小内水压力出现在桩号7+137.58 处，为1.79m，满足最小内水压力控制要求；因设置止回阀，水泵不发生反转，满足管线运行要求。

4 结论

4.1 对于高扬程有压输水工程，在无调压措施的情况下，水泵机组抽水断电，管线中极易产生负压，尤其在管线末端和高程变化大的管线处，通常出现较大的负压，需对该工程供水系统设置调压措施，以保证在水泵机组抽水断电时，管线能安全稳定运行。

4.2 高扬程有压输水工程中，泵出口设置止回阀等阀门的基础上，在适当的位置加入空气罐作为水锤防护措施，可以有效的减小负压的产生和正压的升高，同时保证了水泵机组反转时间减小甚至不发生反转。