旁通管水錘防護的效果分析

范 磊

(新疆昌源水務準東供水有限公司，新疆 昌吉 831799)

1 概 述

在供水系統(tǒng)中，工程人員常遇到的水錘情況是所謂的“停泵水錘”。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民的生活水平也在不斷地提高，各類泵站也不斷增多，那么保證泵站以及其管路系統(tǒng)的安全運行、防止水錘的破壞就變得越發(fā)的重要[1]。水錘的防護一般采用設置緩閉蝶閥，同時也可以結合空氣閥與單向的調壓塔的防護措施等。而對于中小型的泵站通常采用取消逆止閥、無閥防護的措施，事故停泵之后水倒流，就能減小水錘升壓，不需要安裝其它的水錘防護措施，但要通過水力過渡計算判斷水泵機組的倒轉速度是否在規(guī)范允許的范圍內[2]。

水錘及其防護問題在理論研究與實際應用這兩方面都取得了很大進展，整個水錘的研究體系日漸完善，研究的范圍也日益擴大。近些年，因管路系統(tǒng)中出現(xiàn)水柱的分離及其再彌合的現(xiàn)象而造成的水錘事故時有發(fā)生[3]。目前，國內外關于瞬變流的研究已經(jīng)深入到氣液兩相流的水錘問題以及管路當中兩相流的固液耦和作用(FSI)，如何更加經(jīng)濟有效地防止發(fā)生水錘事故，并且根據(jù)實際情況來尋找最佳的防護措施也是一項長期的研究課題[4]。

2 工程概況

某工程一級泵站采用正向進水，進水部分包括2根DN800 mm進水鋼管和前池(吸水池)[5]。前池設計水位730.50 m，最低水位728.85 m，設計凈揚程143.44 m，泵站抽水至873.94 m高程，廠房內安裝4臺水泵機組，3用1備，水泵的額定流量為0.37 m3/s，額定揚程為149.5 m，水泵的效率為82.7%，水泵的軸功率為657 kW，轉速為1 492 rpm，機組回轉部分的飛輪力矩為1 800，各臺水泵吸水管為DN500鋼管，進口為喇叭型。各臺水泵出水支管為DN400 mm鋼管，各支管長8.2 m，末端與垂直于支管布置的DN800 mm母管相接，母管后接2根DN800 mm出水管(其后接2根DN800 mm輸水鋼管)，母管上設DN800 mm兩階段關閉液控蝶閥，間距6.595 m，單管長11.6 m，各管軸線高程728.07 m。工程示意圖見圖1。

圖1 工程示意圖

3 旁通管水錘防護的效果分析

3.1 旁通管水錘防護的效果

針對本工程提出以下兩種水錘防護方案：

方案一：水泵出口安裝DN400兩階段關閉液控蝶閥，關閥程序為：快關70%歷時3 s，余下30%慢關歷時12.2 s關完，關閥總歷時15.2 s。在管線樁號0+618.00、0+741.00、0+1 066.00、0+1 208.00處均安裝空氣閥，空氣閥參數(shù)為：進氣孔徑80 mm，排氣孔徑5 mm。

方案二：在第一種方案的基礎上，再在泵站進水池和出水管之間接一根管徑為300 mm的旁通管，旁通管上安裝電磁閥，電磁閥為常開閥，電磁閥的閥門動作時間為100 ms，開閥時刻為事故停泵后第3.5 s。

通過計算，正常工作情況下的壓力水頭線以及管中心的高程線見圖2。

圖2 正常工作水頭線

事故停泵后，對兩種防護水錘的方案分別進行計算，所得結果見圖3。

圖3 最大最小壓力水頭包絡線(方案一)

由MATLAB程序運行結果可知，水泵的最大倒轉速：方案一和方案二的最大倒轉速都在《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求的范圍之內，但是方案二的最大倒轉速比方案一小；水錘的最大壓力表現(xiàn)為方案一的水錘壓力最大為238.5 m，未達到《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求的范圍之內，局部會出現(xiàn)負壓，但不會產生水柱分離現(xiàn)象；方案二的水錘壓力最大為177.5 m，在《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)要求的范圍之內，局部會出現(xiàn)負壓，但也不會產生水柱分離現(xiàn)象，水錘降壓效果很明顯；兩階段關閉液控蝶閥后的壓力波動表現(xiàn)為閥后的壓力波動方案二比方案一要小。

3.2 兩階段關閉閥的不同關閥程序的水錘防護效果

本工程所用的兩階段閥為蓄能式液控緩閉止回蝶閥，閥門的關閥時間的范圍為：快關(tk)2～25 s，慢關(tm)為4～60 s。本節(jié)在電磁閥的開閥時刻(td=3.5 s)一定時，研究分析兩階段關閉液控蝶閥不同關閥程序對水錘的最大壓力的影響，計算結果見表1和表2。

表1 兩階段閥不同關閥程序下的最大水錘壓力表

表2 兩階段閥不同關閥程序下的最大水錘壓力表(tk為9～25 s)

由表1和表2可知，快關時間不變，慢關時間對水錘大壓力的影響：快關時間tk為2～3 s時，隨著慢關時間的延長，水錘的最大壓力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；快關時間tk為4～8 s時，隨著慢關時間的延長，水錘的最大壓力值逐漸減小；快關時間為9～25 s時，隨著慢關時間的延長，水錘的最大壓力不再改變。慢關時間不變，快關時間對水錘壓力的影響：慢關時間tm小于10 s時，隨著快關時間的延長，水錘的最大壓力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且在快關時間tk=6 s時達到最大；慢關時間tm為10～60 s時，隨著快關時間的延長，在2～4 s之間時變化不明顯，在5～25 s之間時呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3.3 旁通管不同管徑的水錘防護效果

實際工程中，在選擇管道時，管徑是確定管道的重要因素之一。本節(jié)將對旁通管不同管徑時的水錘防護效果進行研究分析。

兩階段關閉液控蝶閥的關閥程序一定(即快關時間3 s，關閥角度70%，慢關時間12.2 s，關閥角度30%)，用MATLAB分別計算旁通管管徑在100、150、200、250、300、350和400 mm時，電磁閥不同開閥時刻下的最大水錘壓力，并模擬管徑在200、250、300、350和400 mm時的最大最小壓力水頭包絡線。見圖4。

圖4 最大最小壓力水頭包絡線(200 mm)

由圖4可知，當同一管徑時，隨著電磁閥開閥時刻的推遲，水錘的最大壓力先降低后升高；旁通管管徑在100、150、200、250、300、350和400 mm時，隨電磁閥的開閥時刻td不同，最大水錘壓力分別在td為4.8、4.8、3.9、3.6、3.5、3.4和3.1 s時達到最低，最低值分別為219.3、200.9、183.9、174.3、177.5、176.1和173.3 m；水錘的最大壓力隨著管徑的增大而降低，且旁通管管徑大于等于200 mm時，水錘最大壓力可達到本工程水錘壓力的防護要求194.35 m(管路設計壓力的1.3倍)，并且隨管徑的增大，最大水錘壓力逐漸降低，電磁閥的開閥時刻逐漸提前；管線局部會出現(xiàn)負壓，但是不會出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象。

3.4 水錘結束后的關閥措施

事故停泵后，可以采用泵站旁通管水錘防護措施進行水錘防護。這種水錘防護措施的方法為，當事故停泵后，電磁閥打開一直到水錘結束為止，那么水錘結束之后，管道中的水便會一直回流。為了防止這種情況的發(fā)生，在旁通管上設置一個可控閥，在水錘結束之后手動關閉該可控閥即可，本文將對這個可控閥的關閥時間進行分析計算。圖5為旁通管的流量變化曲線。由圖5可知，水錘結束后的穩(wěn)定倒流量為0.65 m3/s，這就是重力流水錘的問題了。

圖5 旁通管的流量變化曲線

用MATLAB模擬計算該可控閥的關閥時間分別為4、5、6、7和8 s時的水錘防護效果，計算得到這幾種關閥時間下的最大水錘壓力分別為205.3、193.3、185、179.3和175.2 m。分析可知，當關閥時間大于等于5 s時，便可達到本工程的水錘防護要求194.35 m，并且不會產生水柱分離現(xiàn)象，關閥的時刻為事故停泵后的20 s。

4 結論與建議

1) 泵站加旁通管水錘防護措施相比無旁通管時，最大倒轉速降低，水錘降壓效果明顯，而且兩階段關閉液控蝶閥后的壓力波動也變小。

2) 兩階段關閉液控蝶閥在不同的關閥程序下，水錘最大壓力的變化趨勢也不同，要結合其他條件選出最合適的關閥程序。

3) 同一管徑時，隨著電磁閥開閥時刻的推遲，水錘的最大壓力呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；隨著旁通管管徑的增大，最大水錘壓力逐漸降低，電磁閥的開閥時刻逐漸提前，水錘最大壓力達到最低時，水泵的最大倒轉速隨著旁通管管徑的增大而減小，但是壓力管道的倒流量也在增大，因此要結合實際工程選擇合適的管徑。

4) 慢關時間保持不變，隨快關時間的變化，水錘最大壓力達到最低時電磁閥的開閥時刻也在改變，并且管徑不同，變化的情況也不同，隨快關時間的增長，水泵的最大倒轉速度逐漸變大；快關時間保持不變，隨慢關時間的變化，水錘最大壓力達到最低時電磁閥的開閥時刻保持不變，并且隨管徑的增大，開閥時刻逐漸提前，水錘最大壓力達到最低時的壓力值隨著慢關時間的變長而變小，且隨慢關時間的增長，水泵的最大倒轉速度也逐漸變大。

本文就泵站加旁通管這一水錘防護措施進行分析研究，重點研究了這種措施的防護效果以及影響防護效果的因素。但實際工程中，水錘發(fā)生后，水倒流會產生的一定的棄水量，棄水量太大不僅會在經(jīng)濟上造成浪費，還會影響泵站及周邊建筑物的安全。因此，在實際工程中，要結合棄水量最小這一要求確定最優(yōu)的水錘防護措施方案。