空氣罐的水錘防護(hù)特性及其工程應(yīng)用

魏振榮

（吐魯番市水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆吐魯番838000）

空氣罐的水錘防護(hù)特性及其工程應(yīng)用

魏振榮

（吐魯番市水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆吐魯番838000）

介紹了空氣罐的常見結(jié)構(gòu)、工作原理及其水錘分析的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合工程實例，對空氣罐在長距離管道輸水系統(tǒng)中的水錘防護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，并對空氣罐水錘防護(hù)效果的影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：空氣罐可有效消除管線中的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象；在保證罐內(nèi)水體不漏空的條件下，罐內(nèi)初始?xì)怏w體積越大，水錘防護(hù)效果越好；罐體直徑對水錘防護(hù)效果影響甚??；在一定范圍內(nèi)，連接管直徑越大，水錘防護(hù)效果越好，但當(dāng)連接管的直徑大到一定程度后，連接管直徑增大，水錘壓力反而增大，存在一個最優(yōu)的連接管直徑。

空氣罐；事故停泵；水錘；影響因素

0 引言

對運行中長距離水泵加壓系統(tǒng)，當(dāng)機組因意外停電或機械故障而事故停機時，水泵出口閥后點將首先出現(xiàn)壓力下降并向下游傳播，管線中局部凸起點的壓力可能降至汽化壓力，出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象，隨后在降壓波反射為升壓波并向上游傳播時，出現(xiàn)水柱彌合并產(chǎn)生巨大升壓。因此，事故停泵水錘往往是造成管道破裂等工程事故的主要原因[1]。

常見的事故停泵水錘防護(hù)措施包括：泵出口閥兩階段關(guān)閉[2]、簡單調(diào)壓塔[3]、單向調(diào)壓塔[4]、空氣閥[5]、壓力波動預(yù)止閥[6]、超壓泄壓閥[7]、空氣罐[8]等。泵出口閥兩階段關(guān)閉、壓力波動預(yù)止閥和超壓泄壓閥可以減小管道中的最大水錘壓力，但不能改善管線中的負(fù)壓問題；簡單調(diào)壓塔和單向調(diào)壓塔通過向管道內(nèi)補水，可有效改善管線中的負(fù)壓和水柱分離現(xiàn)象，但簡單調(diào)壓塔往往需要較大的塔體高度，而且在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用時，兩者均必須考慮冬季的防凍問題；空氣閥通過向管道內(nèi)補氣來解決管線中的負(fù)壓問題，但空氣進(jìn)入管道后可能引起復(fù)雜的兩相流動，當(dāng)空氣閥的形式和參數(shù)選擇不合理時，也可能出現(xiàn)較大的水錘壓力；空氣罐利用空氣的彈性，既可吸收管道中的正壓，又可向管道內(nèi)補水來改善管線中的負(fù)壓，而且空氣罐往往布置在水泵出口，可結(jié)合泵房布置來解決其冬季防凍問題。

目前，國內(nèi)應(yīng)用空氣罐進(jìn)行水錘防護(hù)的工程經(jīng)驗相對較少。結(jié)合工程實例，對空氣閥的水錘防護(hù)特性及其影響因素進(jìn)行分析，以期為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 空氣罐的結(jié)構(gòu)

目前，工程上應(yīng)用的空氣罐主要分為3種：

1.1 氣水自然分離式

氣水自然分離式空氣罐是一個頂部有壓縮氣體，下部為水體的壓力容器，氣體和水直接接觸。一旦發(fā)生事故停泵，在第一階段，管道中壓力降低，罐內(nèi)氣體迅速膨脹，下層水體在氣體壓力作用下迅速補充給主管道，防止水柱分離；在第二階段，水流開始倒泄，管道中的壓力上升，出水管中的高壓使水流進(jìn)入空氣罐中，使罐內(nèi)氣體壓縮，從而減小管道中的壓力上升。

氣水自然分離式空氣罐具有結(jié)構(gòu)簡單、費用低廉的優(yōu)點，但罐內(nèi)氣體與水長時間直接接觸，逐漸溶解在水中，導(dǎo)致空氣罐的緩沖能力下降，需經(jīng)常補充壓縮氣體。

1.2 隔膜式

隔膜式空氣罐在傳統(tǒng)的氣水自然分離式空氣罐罐體高度一半左右的位置熱軋了一個橡膠隔膜，隔膜上部預(yù)充了一定壓力的氮氣，下部為水。其工作原理與氣水自然分離式空氣罐基本相同。

隔膜式空氣罐工作時，通過隔膜實現(xiàn)氣水分離，水體和氮氣不直接接觸，不用擔(dān)心氣體溶解到水中。但是，由于罐體下半部分直接與水接觸，容易生銹，所以逐漸被氣囊式空氣罐所取代。

1.3 氣囊式

區(qū)別于傳統(tǒng)的隔膜式空氣罐，氣囊式空氣罐在罐體內(nèi)加裝了一個氣囊內(nèi)膽，壓縮氣體位于氣囊和罐體內(nèi)壁之間。當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力上升時，水進(jìn)入氣囊內(nèi)，氣囊和罐體間的氣體被壓縮，緩解管道內(nèi)的壓力上升；當(dāng)管道系統(tǒng)內(nèi)的壓力下降，氣囊內(nèi)的水被氣體擠出，補充到系統(tǒng)內(nèi)，防止管道系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)水柱分離。

氣囊式空氣罐在工作時，水只進(jìn)入氣囊內(nèi)，不與殼體接觸，也不與氣體接觸，從而避免了氣體溶解于水和罐體內(nèi)壁生銹的問題。

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2 空氣罐水錘分析的數(shù)學(xué)模型

空氣罐水錘分析可采用特征線法[2]，物理模型如圖1所示，其邊界條件的數(shù)學(xué)模型可根據(jù)空氣罐上下游水頭平衡方程、罐內(nèi)氣體等熵絕熱條件、水流的連續(xù)性方程及管道的水錘相容性方程建立如下：

式中：△t為計算時間步長；Hp3為空氣罐所在截面處的測壓管水頭；S為罐中水面高程；H為當(dāng)?shù)卮髿鈮海?為時段初空氣罐內(nèi)氣體體積；QP和Qp3分別為時段初、末流入空氣罐的流量；n為氣體的可逆多變指數(shù)；C為罐中初始狀態(tài)氣體絕對壓力與體積的乘積；ξ為空氣罐與主管道連接短管的阻力損失系數(shù)；HP1,NS和QP1,NS分別為空氣罐上游管道最后一個節(jié)點的瞬時壓力和瞬時流量；HP2,1和QP2,1分別為空氣罐下游管道第一個節(jié)點的瞬時壓力和瞬時流量；CP和CM分別為水錘C+和C-相容性方程的參量（可根據(jù)空氣罐所在截面的上下游相鄰節(jié)點前一時刻的流量和壓力求得）；B為管道特征系數(shù)，與水錘波速和管道截面積相關(guān)。

圖1 空氣罐水錘分析的物理模型

3 空氣罐水錘防護(hù)特性及其影響因素

3.1 工程概況

某供水工程輸水管道長L=7 630 m，管徑D= 800 mm，凈揚程129 m，管線縱剖面如圖2中的管軸線高程線所示；共安裝3臺水泵（2用1備）；單機額定流量Q=0.5 m3/s，額定揚程H=165 m，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，機組轉(zhuǎn)動慣量GD2為220 kg·m2。

3.2停泵水錘分析結(jié)果

3.2.1 無防護(hù)措施，泵出口閥不關(guān)閉的情況

圖2、圖3分別為2臺水泵同時發(fā)生事故停泵、泵出口閥不關(guān)閉條件下的壓力包絡(luò)線（圖2中Hmax、Hmin、HCL、Z分別為最大測壓管水頭、最小測壓管水頭、初始測壓管水頭和管軸線高程）和水泵特征點變化過程（圖3中h，v，α，β分別為水泵的無量綱揚程、無量綱流量、無量綱轉(zhuǎn)速和無量綱轉(zhuǎn)矩，為泵出口閥的水力開度）。從圖2可以看出：在事故停泵過渡過程中，管線出現(xiàn)汽化壓力及彌合水錘，管線中的最大水錘壓力達(dá)到239.89 m；從圖3可以看出，水泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的1.18倍，十分接近《泵站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”要求，因此，應(yīng)確保停泵后泵出口閥的可靠關(guān)閉。

圖2 管線壓力包絡(luò)線（無措施，不關(guān)閥）

圖3 水泵特征量變化過程（無措施，不關(guān)閥）

3.2.2 無防護(hù)措施，泵出口閥關(guān)閉的情況

綜合考慮水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和水錘壓力波動，經(jīng)過不同關(guān)閥規(guī)律的比較計算，擬定泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律為20 s線性關(guān)閉。圖4為泵出口閥20 s線性關(guān)閉條件下的壓力包絡(luò)線。從圖4可以看出：泵出口閥的關(guān)閉保護(hù)了機組，但加劇了管線中的水柱分離和壓力上升，管線中的最大水錘壓力達(dá)到395.97 m，不滿足水錘防護(hù)的要求。

圖4 管線壓力包絡(luò)線（泵出口閥關(guān)閉）

3.2.3 空氣罐的水錘防護(hù)效果

為消除管線中的水柱分離，在水泵出口閥后點設(shè)置空氣罐（罐體直徑4 m、罐體高度4 m、初始?xì)怏w體積占總?cè)莘e的40%、連接管直徑0.4 m）。圖5為設(shè)置空氣罐、泵出口閥20 s線性關(guān)閉條件下的壓力包絡(luò)線。從圖5可以看出：空氣罐的水錘防護(hù)效果非常顯著，管線中的最大水錘壓力降至214.99 m，管線中的最小水錘壓力為-4.68 m，無汽化現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 管線壓力包絡(luò)線（設(shè)置空氣罐）

3.2.4 空氣罐水錘防護(hù)效果的影響因素分析

由空氣罐的工作原理，在空氣罐總?cè)莘e（取50 m3）一定的條件下，空氣罐水錘防護(hù)的效果可能與罐內(nèi)初始?xì)怏w體積、空氣罐的截面積和連接管的直徑相關(guān)。以下對上述因素對空氣罐水錘防護(hù)效果的影響進(jìn)行分析。

1）初始?xì)怏w體積的影響

表1為空氣罐總?cè)莘e、空氣罐截面積、連接管直徑相同時，罐內(nèi)不同初始?xì)怏w體積條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果。

表1 不同初始?xì)怏w體積下的事故停泵水錘計算結(jié)果

從表1可以看出：初始?xì)怏w體積越大，主管內(nèi)的壓力波動越小，最大水錘壓力和負(fù)壓越小，水錘防護(hù)效果越好；空氣罐的存在使水泵的倒流時間提前，且初始?xì)怏w體積越大，罐內(nèi)氣體的壓力越大，機組的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越大；初始?xì)怏w體積越大，空氣罐內(nèi)的初始水體體積越小，過渡過程中空氣罐內(nèi)的最小水深越小。

2）空氣罐截面積的影響

表2為空氣罐總?cè)莘e、初始?xì)怏w體積、連接管直徑相同時，不同空氣罐截面積條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果。從表2可以看出：在空氣罐總?cè)莘e和初始?xì)怏w體積相同的條件下，空氣罐截面積對空氣罐內(nèi)的水深有較大的影響，截面積越大，罐內(nèi)最小水深越??；但空氣罐截面積對水錘防護(hù)效果的影響甚小，在保證罐內(nèi)水體不漏空的條件下，不同罐體直徑下的水錘防護(hù)效果基本相同。

表2 不同空氣罐截面積條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果

3）不同連接管直徑的情況

表3為空氣罐總?cè)莘e、罐內(nèi)初始?xì)怏w體積和空氣罐截面積相同時，不同連接管直徑條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果。從表3可以看出：在空氣罐總?cè)莘e、罐內(nèi)初始?xì)怏w體積和空氣罐截面積相同的條件下，空氣罐和主管道之間的連接管直徑越大，水體流入、流出空氣罐的阻力越小，改善負(fù)壓的效果越好；但當(dāng)連接管的直徑大到一定程度后，隨著連接管直徑的增大，從空氣罐流入主管的水體體積增大，在倒流階段因泵出口閥關(guān)閉導(dǎo)致的關(guān)閥水錘壓力反而增大。因此，對給定的泵出口閥關(guān)閥速率來講，存在一個最優(yōu)的連接管直徑。

表3 不同連接管直徑條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果

4 結(jié)論

1）空氣罐可有效消除事故停泵時管線中出現(xiàn)的水柱分離現(xiàn)象和彌合水錘壓力。當(dāng)主管內(nèi)壓力降低時，空氣罐內(nèi)氣體膨脹，空氣罐向主管內(nèi)補水來消除負(fù)壓；當(dāng)管線主管內(nèi)壓力升高時，空氣罐內(nèi)氣體被壓縮，主管內(nèi)的水進(jìn)入空氣罐來緩沖升壓。

2）在同樣的罐體體積和連接管直徑，且保證空氣罐內(nèi)水體不漏空的條件下，罐內(nèi)初始?xì)怏w體積越大，空氣罐的水錘防護(hù)效果好。

3）在同樣的罐體體積、連接管直徑和初始?xì)怏w體積，且保證空氣罐內(nèi)水體不漏空的條件下，空氣罐截面積對空氣罐內(nèi)的水深有較大的影響，但對水錘防護(hù)效果的影響甚小。

4）空氣罐和主管之間的連接管直徑對水錘防護(hù)效果有一定影響。在一定范圍內(nèi)，連接管直徑越大，水錘防護(hù)效果越好；但當(dāng)連接管的直徑大到一定程度后，連接管直徑增大，倒流階段因泵出口閥關(guān)閉導(dǎo)致的關(guān)閥水錘壓力反而增大。因此，存在一個最優(yōu)的連接管直徑。

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