长距离有压管道输水系统的停泵水锤安全防护及优化

薛长青，叶焰中，李良庚，赵文胜，吴远为，林 鹏

(1.酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000；2.深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳 518100；3.武汉大学 水力机械过渡过程教育部重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

对于有压输水而言，由于人为误操作或突然断电等外部因素导致水泵突然停机，压力管道中流速剧烈变化，从而在管路中产生急剧的压力交替变化过程，这种水力冲击现象称为事故停泵水锤[1]。特别是在长距离管道中，因为事故停泵水锤导致的压力升高尤为明显，可能造成严重的工程事故。本文针对一长距离有压管道引水工程进行事故停泵的数值仿真，分析泵出口液控蝶阀两阶段关闭、空气阀、调压塔联合防护措施的水锤防护效果，并提出优化建议，以确保输水管道安全稳定运行。

1 工程概况

某长距离有压管道引水工程由1座泵站(大(2)型)、2个水库(中型)、近20 km的管道和隧洞等组成。取水泵站共设有6台VENUS-900/1000ZC型水泵(4用2备)，配套6台1RN4636-3HE80-Z卧轴三相交流鼠笼式异步电动机。单泵设计扬程H=56.5 m，设计流量Q=3.5 m3/s，额定转速n=595 r/min，效率η=92.2%，比转速ns=140，机组转动惯量GD2=33 5kg/m2。水泵出口依次设有一台TF/VSSJAF型液控止回蝶阀和两台D94A3X型电动蝶阀，直径均为DN1400，如图1所示，其中在4台泵同时运行时，两台电动蝶阀保持全开。引水工程的输水管线全长18.56 km，管道直径有DN2600、DN2800、DN3000、DN3400四种，管材种类分为钢管和玻璃钢夹砂管两种。沿线设置有单向调压室和双向调压塔等附属设施，以及各类蝶阀、空气阀等水锤防护设备，输水管线纵剖面高程变化和各设施设备的布置位置如图2所示，管线最高点高程为74.95 m，受施工限制，双向调压塔设置在管线次高点处，管中心高程为68 m。

图1 泵出口蝶阀布置图

图2 输水管线的高程和空气阀、调压塔的布置位置

2 事故停泵水锤的数值仿真

针对引水工程取水泵站的边界条件及运行工况，采用常波速的液柱分离模型[2]和特征线法对事故停泵水锤的基本方程进行求解，计算分析瞬态流动任一瞬时各断面上的压力和流量变化过程。

2.1 无防护措施下的停泵水锤

4台泵同时事故停泵时，无任何防护措施，即不考虑单向调压室、双向调压塔、空气阀，泵出口液控蝶阀不关闭的条件下，计算结果如图3、图4所示。图3中h、ν、α、β分别为水泵的无量纲扬程、无量纲流量、无量纲转速和无量纲转矩，τ为泵出口阀的水力开度；图4中Hmax、Hmin、HGL、Z分别为最大测压管水头、最小测压管水头、初始测压管水头和管中心高程。

图3 事故停泵水泵各特征量的变化过程(无防护措施)

图4 事故停泵管线压力包络线(无防护措施)

从图3中可以看出，水泵在停泵后12.3 s开始倒流，在停泵后的第12.9 s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的1.47倍，最大倒泄流量为额定流量的0.86倍。停泵后水泵的倒转转速不满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求，应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭，一方面防止水泵长时间超速倒转，另一方面防止出水管内的水大量倒流回进水池，造成水量和能量损失。

从图4中可以看出，发生事故停泵后，由于管线中出现了水柱分离及再弥合现象，在水泵出水管起点处最大水锤压力达到94.79 m，远远超过《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍”要求；同时管线从水泵出口到隧洞末端之间大部分管段出现负压甚至发生汽化(按-8 m考虑)。

2.2 现有防护措施下停泵水锤

4台泵同时事故停泵，考虑现有防护措施：泵出口液控蝶阀采用快关8 s/60°、慢关20 s/30°的两阶段关闭程序，沿线设置空气阀、单向调压室、双向调压塔(水深安全余量为1 m)，计算结果如图5、图6和图7所示。

图5 事故停泵水泵各特征量的变化过程(现有防护措施)

图6 事故停泵管线压力包络线(现有防护措施)

图7 事故停泵双向调压塔水深变化过程(现有防护措施)

从图5中可以看出，水泵在停泵后1.5 s开始倒流，在停泵后的第2.1 s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的0.94倍，最大倒泄流量为额定流量的0.54倍。停泵后水泵的倒转转速满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求。

从图6中可以看出，事故停泵后水泵出水母管起点压力上升到最大水锤压力86.64 m，接近《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍”要求的上限；管线中无汽化压力出现，负压段集中在水泵出口到双向调压塔之间，最小水锤压力为-3 m。

从图7中可以看到，事故停泵后，当管道内的压力降至低于双向调压塔内的水头时，水从双向调压塔流入管道，在停泵后的第56.7 s，双向调压塔内的水位低于补水管顶高程，调压塔露底，空气开始进入管道，引起更加复杂的液气两相流过程。

2.3 现有水锤防护措施的效果评估

比较无防护措施和采用现有防护措施的事故停泵的计算结果，可以看到采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施[3]，能有效减小管线最大水锤压力，防止管道中发生液柱分离及再弥合现象，避免汽化压力出现，减小管道负压段范围，起到了较好的水锤防护效果。但仍然表现出以下问题：管线仍然存在负压、多泵同时事故停泵时双向调压塔垂线露底等。因此，有必要对现有水锤防护措施进一步优化。

3 水锤防护措施的优化

3.1 泵出口阀关闭程序优化

由于泵出口阀的关闭程序对泵系统事故停泵过渡过程影响较大，对关阀程序进行优化[4]，考虑到泵站的实际运行操作及沿线设施设备的影响，最终拟定两种泵出口阀关闭程序方案：①快关8 s/60°，慢关15 s/30°；②快关15 s/60°，慢关55 s/30°。比较以上优化后的两阶段关阀程序与现状运行采用的两阶段关阀程序的事故停泵计算结果，如表1所示。

表1 不同关阀速率下的事故停泵水锤计算结果

从表1中可以看到，泵出口阀采用快关15 s/60°、慢关55 s/30°的关闭规律后，管线最大水锤压力明显下降；同时管线均未出现汽化压力。因此，建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为：快关15 s/60°，慢关55 s/30°。

3.2 空气阀防护优化

根据计算结果，管线中负压段主要出现在水泵出口到双向调压塔之间、管线最高点附近和隧洞进口附近三处位置，为了避免可能出现的弥合水锤，通过试算拟定在原有空气阀的配置基础上增设10处CARX-0400复合式排气阀[5]，安装位置见表2及图8。

表2 增设空气阀安装位置及类型

图8 增设空气阀沿线分布示意图

增设空气阀后，现有空气阀和空气阀优化后对事故停泵水力过渡过程的影响如表3所示。

从表3中可以看出，空气阀优化后，管线最大水锤压力不变，而管线最小水锤压力数值明显减小，这说明增设的空气阀能更好消除管线负压。

3.3 双向调压塔优化

在4台泵同时发生事故停泵时，双向调压塔的补水量不足，出现露底，为了增加补水量，可以采用在下游新建单向调压塔的方案[6]。经过优化计算，在下游新建一单向调压塔，其结构参数见表4，事故停泵水锤的计算结果如表5所示，新建单向调压塔对管线的最大和最小水锤压力没有影响，这是由于安装位置距离管线发生最大最小水锤压力的位置比较远的缘故，但因为增加了多台泵同时事故停泵时的补水量，保证双向调压塔不会出现露底[7]

表3 空气阀优化前后下的停泵水锤计算结果 m

表4 新建单向调压塔的结构参数 m

表5 新建单向调压塔前后事故停泵水锤计算结果 m

4 结 语

(1)采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施，能有效减小管线最大水锤压力，防止管道中发生液柱分离及再弥合现象，避免汽化压力出现，减小管道负压段范围，起到了较好的水锤防护效果。

(2)通过优化泵出口阀关闭速率，可以进一步减小管线最大水锤压力，建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为：快关15s/60°，慢关55s/30°。

(3)沿管线合理地增设空气阀，能够有效地消除管内负压。

(4)为了避免多泵同时事故停泵时，双向调压塔补水量不足出现露底，可以新建单向调压塔增加补水，确保输水系统的安全稳定运行。

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[1] 金 锥，姜乃昌，汪兴华，等. 停泵水锤及其防护[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，2004．

[2] E B 怀利，V L 斯特里特. 瞬变流[M]. 北京:水利电力出版社，1983．

[3] 董丽丽，冯民权，吕岁菊. 长距离泵输水系统事故停泵水锤数值模拟研究[J]. 水资源与水工程学报, 2013,(5):112-115.

[4] 刘光临，蒋 劲，易钢敏. 泵系统水锤最优阀调节研究[J]. 流体工程， 1992,(6):1-5,65.

[5] 刘梅清，孙兰凤，周龙才，等. 长管道泵系统中空气阀的水锤防护特性模拟[J].武汉大学学报:工学版，2004.

[6] 刘光临，刘志勇，王听权，等. 单向调压塔水锤防护特性的研究[J].给水排水，2002．

[7] 王 航, 不同类型调压塔在有压管道水力过渡过程中的水锤防护作用分析研究[D]. 西安：长安大学，2012.