高揚程泵站工程水錘防護計算研究

李 江 徐 燕 李和龍

（1.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局 新疆烏魯木齊 830000；2. 新疆騰源科技發(fā)展有限公司 新疆烏魯木齊 830000）

高揚程泵站工程水錘防護計算研究

李 江1徐 燕1李和龍2

（1.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局 新疆烏魯木齊 830000；2. 新疆騰源科技發(fā)展有限公司 新疆烏魯木齊 830000）

本文以新疆某長距離、高揚程泵站揚水工程為例，通過PIPE2010水力/水錘和瞬態(tài)分析計算軟件進行分析，使用液壓緩閉止回閥、防水錘空氣閥、水錘消除罐、水錘消除閥作用于一級、二級、三級揚水泵站的壓力管道上，防止停泵水錘的發(fā)生，引起爆管的出現(xiàn)。通過分析計算，采取綜合措施后，有效地降低了整個管道的水錘壓力，達到了消除水錘負壓，降低水錘正壓的目的。

長距離 高揚程 停泵水錘

前言

停泵水錘是水錘現(xiàn)象中的一種，是指水泵機組因突然斷電或其他原因而造成的開閥狀態(tài)下突然停車時，在水泵及管道系統(tǒng)中，因流速突然變化而引起的一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象。一般情況下停泵水錘最為嚴重，其對泵房和管路的安全有極大的威脅，國內(nèi)有幾座水泵房曾發(fā)生因停泵水錘而導致泵房淹沒或管路破裂的重大事故。

停泵水錘值的大小與泵房中水泵和輸水管路的具體情況有關(guān)。在泵房和輸水管路設計時應考慮可能發(fā)生的水錘情況，并采取相應的防范措施避免水錘的發(fā)生，或?qū)⑺N的影響控制在允許范圍內(nèi)。

水錘發(fā)生時，能量轉(zhuǎn)化十分復雜，因此管道水錘數(shù)值模擬計算顯得尤為重要。目前，用于水錘分析計算的軟件國外主要有FLOWMASTER、Bentle.Hammer及PIPE2010等商業(yè)化軟件，國內(nèi)研究主要是根據(jù)彈性水柱理論，利用連續(xù)方程和動量方程這兩個基本方程，自編程序進行計算。其中PIPE2000水力/水錘和瞬態(tài)分析軟件具有水錘過程線繪制、穩(wěn)態(tài)分析、峰值跟蹤等功能，在國內(nèi)外多個工程獲得應用，實際運行效果較為理想。

本文以新疆某揚水工程為例，利用PIPE2010水錘分析計算軟件對事故停泵時管道的水錘發(fā)生過程進行模擬，利用各類水錘消除組件，進行合理組合，達到消除停泵水錘的目的。

1 工程概況15

某揚水工程為水泵加壓輸水方式，為三級揚水工程，一級泵站進水池設計水位473.5m，最低水位473.5m；二級泵站進水池設計水位548.8m，最低水位547.0m；三級泵站進水池設計水位649.7m，最低水位647.9m。三級泵站出水池設計水位749.8m。一級、二級和三級泵站水泵的安裝高程分別為471.75m、545.25m、646.15m。輸水管線總長51.27km，采用單管+末端調(diào)節(jié)池方案供水，管徑DN1400mm，管材均為K8級球墨鑄鐵管。每級泵站均設有進水池，有效容積為2000m3，共三座。其管線示意縱剖面圖見圖1。

圖1 三級揚水泵站示意圖

該工程采用2臺泵運行，1臺泵備用的運行方式。泵的額定參數(shù)為：水泵型號為500-1050、設計揚程110m、額定流量0.87m3/s、額定轉(zhuǎn)速980r/min、泵效率0.84、水泵軸功率1800kW、轉(zhuǎn)動慣量2062.8N-m2。水泵出口安裝2階段關(guān)閉的液控緩閉止回閥，關(guān)閉時間：5s快閉80%，5s緩閉20%。管材選用球墨鑄鐵管，壁厚17.1mm，海曾-威廉系數(shù)取130，汽化蒸汽壓力-9.5m。

由于三級泵站設計揚程均為110m，一級泵站管線最長，為34.7km，二級泵站管線長10.4km，三級泵站管線長6.17km，一級、二級泵站的管線較長，而三級泵站揚程高、距離短、水力坡度大，水錘作用更為明顯，也更具有代表性，故本文以三級泵站為例進行水錘分析研究。三級泵站輸水管道縱斷面見圖2。

圖2 三級泵站輸水管道縱斷面

2 停泵水錘分析

2.1 水錘防護設備選擇

水錘防護設備選擇是水錘分析計算的主要目的之一。水錘防護有兩層含義，一是防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生；二是將水錘危害程度降到最低。前者實際上要求運行管理者使輸水系統(tǒng)保持正常工況；后者則要求設計者事先制訂水錘防護策略，運行管理者及時采取相應的水錘防護措施。

根據(jù)當前水錘防護的技術(shù)水平和通用防護措施，從水錘防護設備的可靠性、管理方便、制造工藝水平、自動化程度等角度綜合考慮后，該工程的水錘防護設備主要采用空氣閥、液控緩閉止回閥、超壓泄壓閥（安全閥）和水錘消除罐，單（雙）向調(diào)壓塔等。調(diào)壓塔體積較大，維護費用較高，且在北方冬季使用需考慮保溫問題，造價也較高，本工程沒有專門考慮。

2.1.1 空氣閥

空氣閥，又稱“進排氣閥”。一般設置在管線平坦段或管線起伏不大處。其工作原理是：當空氣閥處的管內(nèi)壓力降到低于1個大氣壓時，迫使空氣流入；當管內(nèi)壓力增加到1個大氣壓以上時，允許空氣流出，從而防止管道中因負壓而造成的水錘事故。但是由于進氣和排氣兩相流過渡過程影響因素比較復雜，管道中排完空氣時，可能產(chǎn)生水柱再撞擊。

三階段空氣閥，又稱具有防水錘組件的組合式進排氣閥。具備高壓微量自動排氣和低壓進排氣功能。即將低壓排氣過程分為兩個階段：低壓差時全速排氣，較高壓差時限制排氣速度，以避免排氣速度過快形成的水錘。該空氣閥可以減緩系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動，保證在系統(tǒng)出現(xiàn)負壓時高速進氣，在管道快速充水或出現(xiàn)水柱彌合工況時限制排氣速度，利用空氣的可壓縮性和彈性緩沖水錘或系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動，保護系統(tǒng)安全。當系統(tǒng)發(fā)生水柱分離時，大量的空氣從空氣閥低壓進排氣口進入真空區(qū)，以消除負壓。當水柱彌合時，分兩階段低壓排氣。當管道高壓時微量排氣，通過微量排氣口排放積聚在管線高點處的空氣。

與水錘消除罐和調(diào)壓塔相比，空氣閥具有構(gòu)造簡單、造價低廉，安裝方便等特點。

2.1.2 液控緩閉止回閥

液控緩閉止回閥（兩階段關(guān)閉蝶閥）的作用是當停電或水泵電源跳閘時，采用分階段按程序關(guān)閉閥門。關(guān)閥分為兩個階段，各階段緩沖時間可以調(diào)節(jié)。第一階段可在4～60s內(nèi)調(diào)節(jié)，第二階段可在10～300s內(nèi)調(diào)節(jié)。

為了迅速減少回水流量，閥門在關(guān)閉的前70度左右快速閉合，而剩余行程20度左右則為慢關(guān)，形成截流效應以降低動態(tài)水壓至較低水平。通過設置兩階段關(guān)閥，能消除啟、停泵水錘，保護泵房及設備安全。閥門兩階段關(guān)閉時間，可根據(jù)輸水管路具體特性經(jīng)過計算具體確定。

2.1.3 水錘消除罐

水錘消除罐用于消減停泵水錘時連接在水泵出水止回閥后的壓力供水管道上，它利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中壓力變化，氣壓罐向管道補水或吸收管道中過高壓力，抗水錘原理上與雙向調(diào)壓塔類似。相對于其它抗水錘裝置，水錘消除罐具有以下特點：具有減少壓力來回擺動的效果，能夠?qū)⑺N現(xiàn)象對管路系統(tǒng)的各種危害削減到最小程度；罐中氣體體積和壓力隨管道壓力而變化，將罐中水量變化限制在氣壓罐容積范圍之內(nèi)；構(gòu)造簡單，自動運行，避免了如水錘消除器等裝置因設備故障或人為原因造成的事故。

大量的工程實踐表明，長距離輸水管線的水錘防護不可能單獨依靠一種設備來實現(xiàn)，必須依靠各種水錘防護設備互相協(xié)調(diào)、互相配合才能有效地對水錘進行防護。

2.2 無防護措施工況下的停泵水錘

停泵水錘的數(shù)值計算針對的是事故斷電水泵開閥停車這種最不利的工況。在停泵水力過渡過程中，泵后止回閥的關(guān)閉程序?qū)Ρ谜竟苈废到y(tǒng)的瞬變特性具有十分重要的影響，關(guān)閉的快慢與管線壓力的變化、水泵倒流和倒轉(zhuǎn)速有直接的關(guān)系。在發(fā)生突然斷電停泵時，假設緩閉止回閥全開，沒有起到緩閉作用的情況下經(jīng)計算見圖3～圖5。

圖3 液控緩閉止回閥全開時流量逐時變化曲線圖

圖4 液控緩閉止回閥全開時水擊壓力逐時變化曲線圖

圖5 止回閥全開時水泵轉(zhuǎn)速變化曲線圖

從圖3可以看出，三級泵站首次出現(xiàn)零流量為10s，之后水泵開始出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)；從圖4、圖5可知，在液控緩閉止回閥全開處，三級揚水泵站在30s時，出現(xiàn)最高水擊壓力為220m，此時水泵反轉(zhuǎn)嚴重，均超過飛逸轉(zhuǎn)速1176r/min，應采取合適的關(guān)閥方案，保護水泵安全。當然也可考慮增加管道承壓等級來抵抗水錘波的傳遞，但這種做法需要大大增加工程投資。有些工程設計人員提出管道設計按靜水壓力再增加1.5倍來抵抗水錘或增加大量進排氣閥都是缺乏依據(jù)的。

2.3 緩閉止回閥關(guān)閥方案的停泵水錘

為防止管道中的水過多地倒流而產(chǎn)生斷流彌合水錘，選擇兩種液控緩閉止回閥關(guān)閉方案：①5s快閉80%+5s緩閉20%；②10s快閉80%+20s緩閉20%。通過計算得到了兩種方案的水錘分析壓力包絡線，見圖6、圖7。

圖6 事故停泵管線壓力包絡線圖

圖7 事故停泵管線壓力包絡線圖

從圖6、圖7可以看出，①5s快閉80%+5s緩閉20%的方案：三級泵站的最大壓力為3.6MPa，超出了管道的承壓能力，水泵均未出現(xiàn)水泵倒轉(zhuǎn)和倒流。②10s快閉80%+20s緩閉20%的方案：三級泵站的最大壓力為3.25MPa，超出了管道的承壓能力，出現(xiàn)水泵倒轉(zhuǎn)和倒流，但滿足《泵站設計規(guī)范》（GB/T50265-2010）中“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間不應超過2min，最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”的要求。由圖6、圖7可以看出，三級泵站的管線中部分管段的水錘壓力高于穩(wěn)態(tài)運行時的壓力，且全線均有負壓存在。通過分析可知10s快閉80%+20s緩閉20%方案的最高水擊壓力比5s快閉80%+5s緩閉20%方案降低35m。考慮最高水錘壓力的降低值不是很大，考慮最不利工況，選用5s快閉80%+5s緩閉20%方案進行計算。

圖8 事故停泵泵后止回閥處壓力變化圖

圖9 事故停泵管線壓力包絡線圖

圖10 事故停泵泵后止回閥處壓力變化圖

從圖8與圖5可以看出，采用止回閥5s快閉80% 5s緩閉20%方案，使泵站不發(fā)生倒轉(zhuǎn)，滿足了規(guī)范的要求，但是由于關(guān)閥引起了整個管線中同時存在正壓和負壓，并有斷流彌合水錘現(xiàn)象發(fā)生，需對三級揚水泵站中的管道進一步研究，消除負壓、降低正壓保護管道的安全。

2.4 設置防水錘設施后的停泵水錘

由圖6可以看出，三級揚水泵站沿線沒有采取任何水錘防護措施的情況，輸水系統(tǒng)出現(xiàn)非常大的水錘升壓，并且管線全線出現(xiàn)負壓，在輸水系統(tǒng)局部高點處增設了防水錘空氣閥，三級泵站設置了8臺防水錘空氣閥，旨在避免水錘工況下系統(tǒng)超壓以及較大負壓的形成，防止輸水系統(tǒng)出現(xiàn)“斷流彌合水錘”。通過不斷地調(diào)試，對防水錘空氣閥的安裝位置、尺寸、形式等進行了優(yōu)化。從結(jié)果來看，相比于未安裝防水錘空氣閥的情況，系統(tǒng)的壓力變化有了明顯改善，但效果仍然不夠理想。故又進行了進一步的優(yōu)化設計。

在設置止回閥按5s快閉80%，5s緩閉20%的前提下，三級泵站在止回閥后設置10立方水錘消除罐1個，水錘消除閥2臺，沿線設置8臺DN150/PN1.6MPa防水錘空氣閥。

圖9、圖10為管線上布設水錘消除罐、水錘消除閥及防水錘空氣閥及泵出口液控緩閉止回閥2階段關(guān)閉條件下，事故停泵過渡過程中的管線壓力包絡線及液控止回閥處的壓力變化。從圖9可以看出，由于水錘消除罐及時向主管道內(nèi)補水，有效地防止了水柱分離及其再彌合現(xiàn)象的發(fā)生，管線中的最大水錘壓力大大降低，三級泵站泵出口液控止回閥處的最大水錘壓力為146m，但管道沿線的最小壓力為-0.36m，出現(xiàn)負壓，但高于水氣化壓力，不會產(chǎn)生水柱分離現(xiàn)象。由此可得，全部管線的最大水錘壓力均控制在管道設計的承壓等級以內(nèi)，滿足設計要求。

3 結(jié)語

長距離輸水管線具有管線長、流量大、揚程高、多起伏等特點，停泵水力過渡過程復雜，其顯著的特征就是在管線局部高點或者管段可能產(chǎn)生斷流彌合水錘。在斷流彌合水錘的發(fā)生和發(fā)展過程中，負壓的存在容易造成管道受壓變形，影響輸水安全，而彌合升壓對管道造成的劇烈的壓力振蕩容易導致管道的疲勞損壞，并引發(fā)爆管事故。發(fā)生事故停泵后，水泵機組的飛逸轉(zhuǎn)速和全線管道中的水錘壓力是長距離輸水系統(tǒng)水力過渡計算中的主要問題。

本文利用PIPE2010水力/水錘瞬態(tài)分析軟件，以防水錘型空氣閥、水錘消除罐、水錘消除閥為重要防護措施，結(jié)合工程實例進行分析研究，發(fā)生事故停泵時，采用5s快閉80%+5s緩閉20%的液控緩閉止回閥的關(guān)閉程序，以防止水泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)，并在泵站的管線上優(yōu)化了水錘消除罐、水錘消除閥及防水錘空氣閥，經(jīng)計算分析表明，該水錘分析可以有效的消除管道內(nèi)的正壓和負壓并防止水泵倒轉(zhuǎn)，滿足工程設計的要求。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.015

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1672-2469（2014）11-0044-04

15作者簡介：李 江（1971年—），男，教授級高級工程師。