大口徑泵壓輸水管道系統(tǒng)停泵水錘防護方案分析研究

王 佳，孫玉涵，王全鋒，劉紹謙

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

在泵壓輸水管道系統(tǒng)中，水泵機組不可避免地會因事故斷電或人為誤操作等原因引起開閥停機，從而引發(fā)停泵水錘。根據(jù)有關(guān)理論計算，停泵水錘造成的升壓很大，尤其是斷流空腔再彌合水錘[1]，排氣不暢引起的氣爆壓力最高可達20～40bar，輕則會使泵壓輸水系統(tǒng)中的管道或設(shè)備遭到破壞，造成暫時供水中斷事故；重則甚至導致水淹泵房、泵船沉沒等重大事故。個別的，還因泵站水錘事故，造成鐵路路基沖壞、人身傷亡等次生災害[2]。因此，如何準確而周到地選定安全可靠、經(jīng)濟適用的停泵水錘防護措施及其設(shè)備，顯得尤為重要。

1 停泵水錘防護措施

目前常用的停泵水錘防護措施大致可歸納為四種類型：

1）注水（補水）或注空氣穩(wěn)壓（緩沖）：通過控制住系統(tǒng)中的水錘壓力振蕩，防止真空和斷流空腔再發(fā)生彌合水錘引起的過高升壓，一般有雙向調(diào)壓塔（池）、單向調(diào)壓塔（池）、壓力空氣罐、空氣閥等。

2）合理選擇泵出口閥門類型，優(yōu)化啟閉規(guī)律，進行閥門調(diào)節(jié)與控制：閥門緩慢啟閉，可減小輸水管道中流速的變化率，從而可以減小水錘壓力增減的幅度。為此，可選用兩階段關(guān)閉的可控閥（如液控緩閉止回蝶閥）或其它各種形式的緩閉止回閥。

3）泄水降壓，避免壓力陡升：主要措施有停泵水錘消除器、超壓泄壓閥[3]、水錘預防閥、防爆膜、設(shè)置旁通管、取消止回閥等。

4）其他類型：如選用轉(zhuǎn)動慣量較大的水泵機組或增裝慣性飛輪，在距離較長的輸水管路中增設(shè)止回閥等。

2 數(shù)學模型及邊界條件

2.1 水錘計算的特征相容方程

對于長度L的管道A—B，其兩端點A、B邊界在t時刻的瞬態(tài)水頭HA(t)、HB(t)和瞬態(tài)流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

其中：H——測壓管水頭；

t——時間變量；

△t——計算時間步長；

a——水錘波速；

g——重力加速度；

A——管道截面積；

Q——流量；

△L——特征線網(wǎng)格管段長度，

△L=a△t（庫朗條件）；

k——特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/△L；

R——水頭損失系數(shù)，R=△H/Q2。

2.2 水泵節(jié)點控制方程

2.2.1 葉輪邊界水頭平衡方程

設(shè)葉輪上、下邊界節(jié)點編號為1、2，則根據(jù)式（1）、（2）可得葉輪邊界水頭平衡方程為：

式中：Hr、Qr——額定工況葉輪工作水頭和流量，其他符號意義同前。

2.2.2 機組轉(zhuǎn)動力矩平衡方程

式中：Tα——機組慣性時間常數(shù)，

GD2——機組轉(zhuǎn)動慣性力矩；

nr、Mr——額定工況機組轉(zhuǎn)速和動力矩；

βg——機組轉(zhuǎn)動阻力矩無量綱值；

α0、β0、βg0——分別為α、β、βg的前一計算時步的值；其他符號意義同前。

2.3 空氣閥的邊界條件

空氣閥邊界條件的物理模型如圖1所示。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，管內(nèi)流入的空氣滿足：

圖1 空氣閥的邊界條件

式中：p——空氣壓強；

i——時段△t初的氣體體積；

Qi——空穴的起始流出流量；

QPi——空穴的末了流出流量；

QPXi——空穴的起始流入流量；

QPPi——空穴的末了流入流量；

m0——空穴中空氣的起始質(zhì)量；

RT——氣體常數(shù)和絕對溫度的乘積。

與之相連的管道相容性方程為：

建立壓力水頭HP與絕對壓力p之間的關(guān)系：

式中：Hq——氣壓計的壓力頭；

Z——空氣閥的入口到基準面的高度。

2.4 單向調(diào)壓塔的邊界條件

單向調(diào)壓塔的物理模型可以簡化為圖2所示，其主要作用是通過對可能發(fā)生水柱分離的部位進行補水，以破壞產(chǎn)生水柱分離的條件，從而起到消除彌合水錘的作用。

圖2 單向調(diào)壓塔邊界條件

設(shè)由調(diào)壓塔流出的流量為QP3，則由連續(xù)性原理可知：

若單向調(diào)壓塔底部高程為ZT，則任意時刻單向調(diào)壓塔內(nèi)水位HP3可由計算時段△t初的水位H3和流出水體的體積對應的水深，求得：

式中：Ast為單向調(diào)壓塔的面積。

再加上主管道的相容性特征線方程，即

于是可得：

2.5 末端出水池的邊界條件

對于末端出水池，其水錘相容性方程沿C+成立，其邊界條件可表示為：

式中：NS、N分別為出水池及其前一節(jié)點處的節(jié)點編號；EL為出水池水位。

3 停泵水錘工程實例計算分析

3.1 工程概況

鹽環(huán)定揚黃共用工程泵站更新改造前，主干線設(shè)置八座梯級泵站七級提水灌溉。泵站更新改造后主干線設(shè)置五座梯級泵站四級提水灌溉，梯級提水泵站示意圖如圖3所示。

一泵站（取水泵站）從黃河青銅峽東干渠取水，后經(jīng)二、三、四和五泵站逐級提水至老鹽池分水閘，閘后向南到達甘肅省分水點，向東到達陜西省分水點。每級泵站后接壓力管道和明渠輸水至下級泵站的進水池。

圖3 一泵站～五泵站梯級提水示意

以三泵站為例，進行泵壓輸水管道系統(tǒng)停泵水錘的計算分析。

3.2 基本參數(shù)

三泵站供水目標為四泵站，設(shè)計流量10.93m3/s。安裝水泵6臺（5大1小，備用1臺大泵），大泵設(shè)計流量2.81m3/s，設(shè)計揚程73.8m，小泵設(shè)計流量0.98m3/s，設(shè)計揚程73.6m。水泵進、出水管均采用鋼管，大泵、小泵進水管管徑分別為DN1600、DN900，出水管管徑分別為DN1400、DN800，水泵出口閥門均采用可兩階段關(guān)閉的液控緩閉止回蝶閥。水泵共分3個泵組，分別為1大1小、2大和2大，泵站出水壓力管道管材采用BCCP和PCP，管徑為DN1800/DN2000/DN2000，輸水距離3087m。

三泵站輸水系統(tǒng)的特征水位見表1。

表1 三泵站泵組1、2、3輸水系統(tǒng)特征水位

3.3 計算控制條件

依據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合工程實際情況，擬定水錘計算控制條件如下：

1）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[4]；

2）供水管道沿線最大壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；

3）供水管道沿線任何部位不應出現(xiàn)水柱斷裂及負壓脫流現(xiàn)象，結(jié)合本工程實際情況，管道沿線負壓按-5m控制。

3.4 計算工況

由于泵組2和泵組3的過流流量大，輸水系統(tǒng)的參數(shù)高，發(fā)生停泵水錘的危害程度比較大，因此以最高凈揚程條件下2臺大泵 （泵組2和泵組3）同時停泵工況作為控制工況，進行停泵水錘防護措施的選擇，并對泵組2和泵組3的其它工況進行校核。

3.5 輸水系統(tǒng)停泵水錘防護方案計算分析

3.5.1 液控止回蝶閥+空氣閥

為將管線中的最大負壓盡量控制在-5m之內(nèi)，同時有利于系統(tǒng)啟動過程中的排氣，經(jīng)反復試算，擬在管線中7處布置DN250快進慢排空氣閥，樁號分 別 為 ：GX0+100、GX0+820、GX1+100、GX2+034.323、GX2+250、GX2+800、GX3+050。

擬定不同的液控止回蝶閥關(guān)閉規(guī)律，管道沿線設(shè)置空氣閥，進行最高凈揚程下2臺大泵同時事故停泵水錘計算，計算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，所有關(guān)閥規(guī)律下的管線最大、最小水錘壓力均不滿足計算控制條件的要求，因此還需要在管線中采取其它措施進行壓力調(diào)節(jié)。

3.5.2 液控止回蝶閥+空氣閥+單向調(diào)壓塔

為了防止負壓，消除事故停泵過程中發(fā)生的液柱分離現(xiàn)象，特別是斷流彌合水錘，擬在樁號GX0+820處設(shè)置一處單向調(diào)壓塔替換此處的空氣閥，單向調(diào)壓塔的基本參數(shù)為：塔體直徑5m，初始有效水深4m，補水管直徑2條DN600。

擬定不同的液控止回蝶閥關(guān)閉規(guī)律，管道沿線設(shè)置空氣閥和單向調(diào)壓塔，進行最高凈揚程下2臺大泵同時事故停泵水錘計算，計算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3的計算結(jié)果，擬定泵出口液控止回蝶閥的關(guān)閉規(guī)律為：5s/75°-42s/15°兩階段關(guān)閉。水泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的0.98倍，水泵出口母管的最大水錘壓力為121.39m，同時也是管線中的最大水錘壓力；管線中的最大負壓為-4.66m，滿足計算控制條件的要求。

表2 不同泵出口液控止回蝶閥關(guān)閉規(guī)律下的事故停泵水錘計算結(jié)果

表3 不同泵出口液控止回蝶閥關(guān)閉規(guī)律下的事故停泵水錘計算結(jié)果

泵組2、泵組3的控制工況事故停泵過渡過程曲線如圖4所示。

圖4 事故停泵過渡過程曲線

從圖4中可以看出，當管道內(nèi)的壓力降至低于單向調(diào)壓塔內(nèi)的水頭時，水從單向調(diào)壓塔流入管道，在補水過程完成后，單向調(diào)壓塔內(nèi)留有1.08m深的水體，留有足夠的安全裕量。

在采用上述分析的水錘防護措施下，對泵組2和泵組3其他工況進行校核計算，計算結(jié)果匯總于表4。

表4 事故停泵其它工況水錘計算結(jié)果匯總表（泵組2和泵組3）

4 結(jié)論及建議

1）液控緩閉止回閥能有效消除停泵水錘發(fā)生后引起的水泵反轉(zhuǎn)，保護水泵機組。

2）液控緩閉止回閥和空氣閥的聯(lián)合使用，能夠有效消除停泵水錘發(fā)生后引起的水泵反轉(zhuǎn)，并能在一定程度上削減管道系統(tǒng)的水錘壓力。

3）液控緩閉止回閥+空氣閥+單向調(diào)壓塔的水錘防護方案，能有效消除水泵反轉(zhuǎn)和管道系統(tǒng)的負壓水錘，且能把管道系統(tǒng)的最大水錘壓力控制在安全范圍之內(nèi)，確保整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4）應密切監(jiān)視單向調(diào)壓塔內(nèi)的水位信號，建立故障預警系統(tǒng)，防止因單向調(diào)壓塔內(nèi)的水位過高或者過低引起的安全隱患。