关于启、停泵时有压输水管道的水锤防护研究

李鹏飞

（山东省水利勘测设计院 济南 250013）

1 引言

因流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象。压力管道在启、停泵时，有压管道内流量变化最剧烈，因此产生的水锤也最具破坏性。如何有效地应对压力管道在启、停泵时产生的水锤对确保工程安全至关重要。

在输水管道中存在气水两相流形式运行，设计长距离有压输水管道时，应分析在不同工况下可能出现的水的流动状态，选择在合适的位置安装一定数量的防护设备。本文主要探讨在长距离有压输水管道工程中有局部高点的位置，采用安装空气阀的防护措施来消除管道中的水锤危害。

2 启、停泵时有压输水管道水锤的计算模型

启、停泵时水锤的计算数学模型是描述管道全系统瞬变流的特征线方程。它与管道系统内各类设施边界条件及管道以外的其他边界条件一起构成启、停泵时水锤的数学模型。

2.1 空气阀的边界条件

式（4）是所有具有排气功能的排气装置的通用计算公式。

特殊情况下，目前应用最广泛的空气阀装置是具有恒速缓冲功能的空气阀，它增加了缓冲装置，在公式中表现为：

2.2 空气阀模型的表示

空气阀是有压输水管道工程中消除水锤最常用设备。管道正常运行工况下，水中会有溶解的空气随着温度的上升或压力下降从管道中析出；管道在阀门需要开启、关闭工况下，管道中因流速剧烈变化等情况出现负压时，外部空气通过空气阀进入管道内部。空气阀按其低于大气压系统进气、高于大气压系统排气的物理特点建立模型，用差分法求解。对空气阀作如下假定：空气等熵地流入流出阀；管内的空气温度始终不变；流进管内的空气仍留在空气进、排气阀附近；液体表面高度基本不变，空气体积和管段里液体体积相比很小。

由以上假定，要求空气阀安装在管道局部高点的顶点位置并选为计算截面。通过空气阀的空气质量取决于管外大气的绝对压力P0、绝对温度T0以及管内的绝对压力p 和绝对温度T。

3 实例研究

3.1 工程概况

尼山水库调蓄水工程主要利用泗河干流水库、闸坝调蓄水量为尼山水库（圣水湖）补水。主要包括泵站工程2 座、有压输水管道工程。泗河水经一级泵站加压后进入管道输水至二级泵站，再由二级泵站加压后沿河道至尼山水库。

该工程为压力输水，输水管道较长，为防止水锤压力，在管道的隆起点和每隔800m 左右设复合进排气阀1 对，材质为球墨铸铁或铸钢，用以排除管道内空气和在管道检修时放气或补气以保持排水通畅，并起着消除水锤、保护管道安全的作用。

3.2 设计指标

设两级泵站，第一级泵站设计流量4.35m3/s，设计扬程51.27m，设3 台DFSS800-14N/8 型供水离心泵，单机功率1000kW，水泵转速740r/min，管道桩号长度为17.1km；第二级泵站设计流量4.35m3/s，设计扬程45.71m，设4 台DFSS800-14N/8A 型供水离心泵，单机功率900kW，水泵转速740r/min，管道桩号长度为6.4km。

泵站至尼山水库管道总长度23.5m。泵站设计运行水位70.50m，最高运行水位71.00m，最低运行水位68.50m，兴利水位124.52m。

3.3 运行要求

该工程共两个管段，其中第一管段泗滨泵站～二级泵站压力前池入口，第二管段二级泵站～尼山水库入口均为加压输水管道，其运行基本方法按下列要求操作：

（1）水泵启动

水泵正常启动时，除一般正常操作步骤外，还应使阀门开启速度不致过快导致较大的启动水锤升压。突然停泵后再次开启水泵，应控制输水管流速，确保输水管内不存在气囊后，再逐渐加大流速至设计值。

输水管道初次通水时，水泵启动应控制充水流速，当输水管全部充满、沿线所有排气阀停止排气后，再逐渐加大充水流速至设计流量。

（2）停泵

应首先关闭水泵前出水阀门，再停水泵。当较长时间停运时，可放空管内存水，一般情况不宜放空管路。

（3）流量调节

水泵正常运行时，一般应采用多台水泵并联方式进行流量调节。

3.4 泵站启、停泵时水锤模拟

（1）一级泵站

水泵出口设置控制阀，控制阀为两阶段关闭，5s 关闭70%，30s 关闭100%。泵站设计流量4.35 m3/h，设计扬程51.27m，全长17123m。水锤压力包络线、水力坡度线见图1、图2。

图1 一级泵站压力包络线图

图2 一级泵站水力坡度曲线图

由图可知，在计算时间内，最大压力约0.65MPa，位于管道起始位置，最大负压区位于管道末端，最大负压值约0.07MPa。经复核，管材、阀件选择合理。

泵站机组从停泵后，转速从740rpm 下降到15.7rpm，满足规范要求。

（2）二级泵站

水泵出口设置控制阀，控制阀为两阶段关闭，5s 关闭70%，30s 关闭100%。泵站设计流量4.35 m3/h，设计扬程45.71m，全长6389m。水锤压力包络线、水力坡度线见图3、图4。

图3 二级泵站压力包络线图

图4 二级泵站水力坡度曲线图

由图可知，在计算时间内，最大压力约1.18MPa，位于管道起始位置，最大负压区位于管道末端，最大负压值约0.075MPa。经复核，管材、阀件选择合理。

泵站机组从停泵后，转速从740rpm 下降到-4.0rpm，满足规范要求。

根据管道水锤计算并复核管道起始点及末端管中心设计高程，管道在最不利运行下满足压力管道顶部有不少于2.0m 的压力水头的规范要求。

4 结论

有压输水管道启、停泵时，很容易产生巨大的水锤压力，给输水系统带来严重的危害。计算结果表明在局部高点装设空气阀，可以有效地防止开启、关闭阀门时产生巨大水锤■