旁通管水锤防护的效果分析

范 磊

(新疆昌源水务准东供水有限公司，新疆 昌吉 831799)

1 概 述

在供水系统中，工程人员常遇到的水锤情况是所谓的“停泵水锤”。随着国民经济的快速发展，人民的生活水平也在不断地提高，各类泵站也不断增多，那么保证泵站以及其管路系统的安全运行、防止水锤的破坏就变得越发的重要[1]。水锤的防护一般采用设置缓闭蝶阀，同时也可以结合空气阀与单向的调压塔的防护措施等。而对于中小型的泵站通常采用取消逆止阀、无阀防护的措施，事故停泵之后水倒流，就能减小水锤升压，不需要安装其它的水锤防护措施，但要通过水力过渡计算判断水泵机组的倒转速度是否在规范允许的范围内[2]。

水锤及其防护问题在理论研究与实际应用这两方面都取得了很大进展，整个水锤的研究体系日渐完善，研究的范围也日益扩大。近些年，因管路系统中出现水柱的分离及其再弥合的现象而造成的水锤事故时有发生[3]。目前，国内外关于瞬变流的研究已经深入到气液两相流的水锤问题以及管路当中两相流的固液耦和作用(FSI)，如何更加经济有效地防止发生水锤事故，并且根据实际情况来寻找最佳的防护措施也是一项长期的研究课题[4]。

2 工程概况

某工程一级泵站采用正向进水，进水部分包括2根DN800 mm进水钢管和前池(吸水池)[5]。前池设计水位730.50 m，最低水位728.85 m，设计净扬程143.44 m，泵站抽水至873.94 m高程，厂房内安装4台水泵机组，3用1备，水泵的额定流量为0.37 m3/s，额定扬程为149.5 m，水泵的效率为82.7%，水泵的轴功率为657 kW，转速为1 492 rpm，机组回转部分的飞轮力矩为1 800，各台水泵吸水管为DN500钢管，进口为喇叭型。各台水泵出水支管为DN400 mm钢管，各支管长8.2 m，末端与垂直于支管布置的DN800 mm母管相接，母管后接2根DN800 mm出水管(其后接2根DN800 mm输水钢管)，母管上设DN800 mm两阶段关闭液控蝶阀，间距6.595 m，单管长11.6 m，各管轴线高程728.07 m。工程示意图见图1。

图1 工程示意图

3 旁通管水锤防护的效果分析

3.1 旁通管水锤防护的效果

针对本工程提出以下两种水锤防护方案：

方案一：水泵出口安装DN400两阶段关闭液控蝶阀，关阀程序为：快关70%历时3 s，余下30%慢关历时12.2 s关完，关阀总历时15.2 s。在管线桩号0+618.00、0+741.00、0+1 066.00、0+1 208.00处均安装空气阀，空气阀参数为：进气孔径80 mm，排气孔径5 mm。

方案二：在第一种方案的基础上，再在泵站进水池和出水管之间接一根管径为300 mm的旁通管，旁通管上安装电磁阀，电磁阀为常开阀，电磁阀的阀门动作时间为100 ms，开阀时刻为事故停泵后第3.5 s。

通过计算，正常工作情况下的压力水头线以及管中心的高程线见图2。

图2 正常工作水头线

事故停泵后，对两种防护水锤的方案分别进行计算，所得结果见图3。

图3 最大最小压力水头包络线(方案一)

由MATLAB程序运行结果可知，水泵的最大倒转速：方案一和方案二的最大倒转速都在《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求的范围之内，但是方案二的最大倒转速比方案一小；水锤的最大压力表现为方案一的水锤压力最大为238.5 m，未达到《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求的范围之内，局部会出现负压，但不会产生水柱分离现象；方案二的水锤压力最大为177.5 m，在《泵站设计规范》(GB 50265-2010)要求的范围之内，局部会出现负压，但也不会产生水柱分离现象，水锤降压效果很明显；两阶段关闭液控蝶阀后的压力波动表现为阀后的压力波动方案二比方案一要小。

3.2 两阶段关闭阀的不同关阀程序的水锤防护效果

本工程所用的两阶段阀为蓄能式液控缓闭止回蝶阀，阀门的关阀时间的范围为：快关(tk)2～25 s，慢关(tm)为4～60 s。本节在电磁阀的开阀时刻(td=3.5 s)一定时，研究分析两阶段关闭液控蝶阀不同关阀程序对水锤的最大压力的影响，计算结果见表1和表2。

表1 两阶段阀不同关阀程序下的最大水锤压力表

表2 两阶段阀不同关阀程序下的最大水锤压力表(tk为9～25 s)

由表1和表2可知，快关时间不变，慢关时间对水锤大压力的影响：快关时间tk为2～3 s时，随着慢关时间的延长，水锤的最大压力值呈现先增大后减小的趋势；快关时间tk为4～8 s时，随着慢关时间的延长，水锤的最大压力值逐渐减小；快关时间为9～25 s时，随着慢关时间的延长，水锤的最大压力不再改变。慢关时间不变，快关时间对水锤压力的影响：慢关时间tm小于10 s时，随着快关时间的延长，水锤的最大压力呈现先增大后减小的趋势，并且在快关时间tk=6 s时达到最大；慢关时间tm为10～60 s时，随着快关时间的延长，在2～4 s之间时变化不明显，在5～25 s之间时呈现先增大后减小的趋势。

3.3 旁通管不同管径的水锤防护效果

实际工程中，在选择管道时，管径是确定管道的重要因素之一。本节将对旁通管不同管径时的水锤防护效果进行研究分析。

两阶段关闭液控蝶阀的关阀程序一定(即快关时间3 s，关阀角度70%，慢关时间12.2 s，关阀角度30%)，用MATLAB分别计算旁通管管径在100、150、200、250、300、350和400 mm时，电磁阀不同开阀时刻下的最大水锤压力，并模拟管径在200、250、300、350和400 mm时的最大最小压力水头包络线。见图4。

图4 最大最小压力水头包络线(200 mm)

由图4可知，当同一管径时，随着电磁阀开阀时刻的推迟，水锤的最大压力先降低后升高；旁通管管径在100、150、200、250、300、350和400 mm时，随电磁阀的开阀时刻td不同，最大水锤压力分别在td为4.8、4.8、3.9、3.6、3.5、3.4和3.1 s时达到最低，最低值分别为219.3、200.9、183.9、174.3、177.5、176.1和173.3 m；水锤的最大压力随着管径的增大而降低，且旁通管管径大于等于200 mm时，水锤最大压力可达到本工程水锤压力的防护要求194.35 m(管路设计压力的1.3倍)，并且随管径的增大，最大水锤压力逐渐降低，电磁阀的开阀时刻逐渐提前；管线局部会出现负压，但是不会出现水柱分离现象。

3.4 水锤结束后的关阀措施

事故停泵后，可以采用泵站旁通管水锤防护措施进行水锤防护。这种水锤防护措施的方法为，当事故停泵后，电磁阀打开一直到水锤结束为止，那么水锤结束之后，管道中的水便会一直回流。为了防止这种情况的发生，在旁通管上设置一个可控阀，在水锤结束之后手动关闭该可控阀即可，本文将对这个可控阀的关阀时间进行分析计算。图5为旁通管的流量变化曲线。由图5可知，水锤结束后的稳定倒流量为0.65 m3/s，这就是重力流水锤的问题了。

图5 旁通管的流量变化曲线

用MATLAB模拟计算该可控阀的关阀时间分别为4、5、6、7和8 s时的水锤防护效果，计算得到这几种关阀时间下的最大水锤压力分别为205.3、193.3、185、179.3和175.2 m。分析可知，当关阀时间大于等于5 s时，便可达到本工程的水锤防护要求194.35 m，并且不会产生水柱分离现象，关阀的时刻为事故停泵后的20 s。

4 结论与建议

1) 泵站加旁通管水锤防护措施相比无旁通管时，最大倒转速降低，水锤降压效果明显，而且两阶段关闭液控蝶阀后的压力波动也变小。

2) 两阶段关闭液控蝶阀在不同的关阀程序下，水锤最大压力的变化趋势也不同，要结合其他条件选出最合适的关阀程序。

3) 同一管径时，随着电磁阀开阀时刻的推迟，水锤的最大压力呈现先降低后升高的趋势；随着旁通管管径的增大，最大水锤压力逐渐降低，电磁阀的开阀时刻逐渐提前，水锤最大压力达到最低时，水泵的最大倒转速随着旁通管管径的增大而减小，但是压力管道的倒流量也在增大，因此要结合实际工程选择合适的管径。

4) 慢关时间保持不变，随快关时间的变化，水锤最大压力达到最低时电磁阀的开阀时刻也在改变，并且管径不同，变化的情况也不同，随快关时间的增长，水泵的最大倒转速度逐渐变大；快关时间保持不变，随慢关时间的变化，水锤最大压力达到最低时电磁阀的开阀时刻保持不变，并且随管径的增大，开阀时刻逐渐提前，水锤最大压力达到最低时的压力值随着慢关时间的变长而变小，且随慢关时间的增长，水泵的最大倒转速度也逐渐变大。

本文就泵站加旁通管这一水锤防护措施进行分析研究，重点研究了这种措施的防护效果以及影响防护效果的因素。但实际工程中，水锤发生后，水倒流会产生的一定的弃水量，弃水量太大不仅会在经济上造成浪费，还会影响泵站及周边建筑物的安全。因此，在实际工程中，要结合弃水量最小这一要求确定最优的水锤防护措施方案。