泵站壓力管道的水錘研究

王 娜（寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，寧夏銀川750004）

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泵站壓力管道的水錘研究

王 娜
（寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，寧夏銀川750004）

泵站停泵水錘是最具危害的一種現象，會使管道爆裂進而導致工廠停工等。因此，在泵站的設計中對于水錘的設計一直都較為重視。本文以某泵站工程為案例，首先論述了管材的選擇過程；然后進行了水錘計算分析，從關閥模式選擇、空氣罐優化、空氣閥的優化設計等來說明水錘的防護設計；最后總結了泵站壓力管道水錘防護的幾種措施。本文的研究內容對于提高泵站壓力管道的防護具有重要的參考價值。

泵站；水錘分析；管材；管徑；防護措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.028

1 前言

所謂水錘，又稱水擊，指的是壓力管道中水流由于流速的變化而引起的劇烈的壓力交替升降的現象。如水泵突然停電時造成開閥停車，管道中便會產生水錘現象。尤其是在閥門關閉太快、長距離輸水管道、管道流速較大、水泵總揚程較大、供水地形高差超過20m時極易出現停泵水錘。

水錘的危害十分嚴重，如江西九江自來水公司第三水廠的水源泵站供水系統，自1999年建成以來，由于其受臨近長江水位變幅較大和地形的限制，其管道存在兩個較大的凸起（水泵出口垂直提升20m穿越井筒形泵房的第一凸起和跨越長江防洪大堤的第二凸起），而多次發生由于水錘導致管道破裂的事故。又如內蒙古達拉特電廠，自1996年運營以來，1號、2號輸水管道先后發生16次大小不同的水錘事故，對于企業的正常發電運營造成了嚴重影響。再如武漢市陽邏電廠循環水系統，由于操作人員對系統的瞬變水力特性認識不足，1994年在停機和調整負荷時，出現了三次水錘事故，造成冷凝器、泵出口閥等設備破壞及泵房被淹事故。從上述三個案例可知，水錘的危害十分嚴重，其主要原因在于水流變化時，水壓可能會上升到正常工作壓力的數十至百倍，因而其具有非常大的破壞力，可能會造成泵房淹沒、管道破裂等情況。

現有的文獻對于水錘已進行了大量的研究，如吳迪等基于彈性力學，推導了內置軟管時的管道水錘波速公式，認為內置軟管道對于管道中的水錘波速影響較大。周龍才詳細介紹了一種水錘計算分析軟件的原理，以大亞灣引水工程為例說明對于長距離管道而言，水錘防護的要點在于負壓防護。周龍才以武漢電廠取水泵站為背景，分析了鋼管和玻璃鋼夾砂鋼管之間存在的局部管材突變對水錘防護的影響。張旭針對核電廠中的長距離管道水錘防護進行了研究，從技術和投資的角度綜合來看，其認為采用玻璃鋼管對于防護水錘效果較好。樊亮亮以長沙市岳麓污水處理廠污水管理工程為具體案例，介紹了水錘防護的相關工程措施，包括設置安全泄壓閥、真空破壞閥、延時閥、流量控制閥等閥門。楊志峰以杭州蕭山管道工程為例，詳細說明了該工程防水錘措施的選擇過程，包括設置防水錘空氣閥和蓄能液壓緩閉蝶閥。李曦淳以天津濱海新區中央大道海河管道工程為相關背景，采用Hammer計算軟件模擬了管道瞬變流情形，介紹了水錘保護相關工程措施的選擇過程。胡建永說明了空氣閥在泵站閥防范水錘中的作用。

以上研究對于水錘的成因以及防護措施有重要的意義，但是以往的文獻并未研究不同管材如鑄鐵管、玻璃鋼管、鋼筋混凝土壓力管、聚氯乙烯管、橡膠管、石棉水泥管在不同管徑下的水錘計算。

為了優化管道設計，本文以某具體工程案例為分析背景，從管材的選擇、閥門的閉合、空氣罐的優化、空氣閥的優化等四個方面來論述泵站的水錘防護，以期為泵站管道的設計提供相關參考。

2 不同管材下的水錘分析

對于泵站而言，在設計階段就要進行事故停泵水錘計算。如可研階段采用簡易圖解法，施工圖設計階段采用特征線法等數值計算方法來進行計算。

以某泵站工程為案例進行分析，工程概況如下：采用一級泵站加壓輸水，渠底高程119m，設計水位127m，壓力管線管道全長16km。

2.1 管材選擇

對于薄壁管而言，其水錘波計算公式為：

式中c為水錘波速，K為水的體積彈性系數，ρ為水的密度，D為管徑，δ為管壁厚度，E為管的彈性模量。

水錘的大小與水錘波速成正相關，因而可根據式（1）得到不同管材的水錘波速，具體結果見表1所示。

表1 不同管材下的水錘波速計算結果

從表1可知，水錘波在聚氯乙烯管和玻璃鋼管中均較低，在鋼管和鑄鐵管中較大。因此，在相同條件下，水錘波在聚氯乙烯管和玻璃鋼管產生的波速較小，因而其影響也相對小一些，在管材選擇方面優先選擇這兩種。

此外，考慮到本工程的管線較長，必須考慮負壓保護。對于負壓的保護，可以從壁厚考慮來保護負壓。但是聚氯乙烯管和鑄鐵管均為標準化生產，其壁厚不能調整，而玻璃鋼管為一種可設計的管道。因而考慮到施工的方便及管道的正負壓影響，優先采用玻璃鋼管。

2.2 水錘的計算分析

水錘計算相關參數：1）泵后緩閉式回閥參數：DN800蝶閥；2）水泵機組參數：采用OTS250-800A1 /2型水泵，Y4506-4630KW電機，設計流量為0.3m3/s，設計揚程為152m，額定轉速為1200rpm；3）特征水位：出水管高程為238m，蓄水池管高程為126.3m；4）管道特征：設計流量為0.5m3/s，管道總長16km，極限水壓力2MPa。

管路模型與沿程水頭計算結果分別見圖1、圖2。

圖1 管路模型

圖2 沿程水頭計算結果

2.2.1 關閥模式選擇

（1）簡單止回閥工況。在這種工況下，閥門在瞬間關閉，水泵出現事故而停泵產生水錘。計算結果表明最大壓力在泵站出口處，如圖3所示最大壓力為2.5MPa，超過極限壓力2MPa，且其發生的時間在72s左右。上述分析表明本工程在設計簡單止回閥后無法控制水錘現象，會引發較大的水錘壓力和水柱分離。

（2）在泵后設置緩閉式止回閥對前述泵站進行優化設計。分別計算（考慮閉合速度）15-251s、15-199s、15-150s、10-201s、10-151s等五種情況下管壓。計算結果表明最大壓力值出現在：15-150s。即止回閥關閉的速度與沿程最大壓力值有直接關系。

圖4給出了上述5種模式下泵站出口水頭變化。結果表明：在停泵后130s內，閉合速度對于泵站出口的壓力基本沒有影響，但是要比設簡單止回閥下降很多。在130s之后，止回閥關閉的快慢對于泵站出口壓力產生顯著的影響。綜合上述計算結果，本工程應采取0-15s內閥門全開，15s后立即關閉81%左右，15-251s內慢慢閉合。

圖3 泵站出口水頭變化（簡單止回閥）

圖4 泵站出口水頭變化（緩閉式止回閥）

2.2.2 空氣罐優化

空氣罐對于減緩水錘有重要的作用，但是其體積和直徑如何設計是一個關鍵的問題。為此，分別取空氣罐體積為15、20、25、30m3時進行計算。結果表明：在空氣罐阻抗孔直徑一定的情況下，隨著體積的增大，水錘的上升壓越小。在空氣罐體積一定的情況下，隨著阻抗孔直徑的減小，減小了波動的衰減。綜上所述，本工程采取阻抗孔直徑為40cm體積為20m3的空氣罐。

2.2.3 空氣閥的優化設計

泵后設置空氣罐時，發生停泵水錘時采用緩閉式止回閥方式。在樁號5800處仍然出現負壓，因而需設置空氣閥以減小該處負壓。本文研究了設置3種不同的空氣閥后的壓力變化情況。結果表明：只在樁號6000附近有明顯區別，即空氣閥只對其附近有一定影響。因此，在確定空氣閥時，主要選擇依據為其對局部負壓的影響。對比了40mm/ 4mm、50mm/5mm、60mm/6mm三種空氣閥對局部負壓的影響，結果表明采用50mm/5mm這種空氣閥得到的負壓最小。因此，采用進氣孔直徑為50mm，出氣孔直徑為5mm的空氣閥，分別設置在樁號6051.7、6231.7、15703.4、15952.3等處。

3 水錘防護措施

水錘的防護措施除了管材的選擇之外，還包括設置逆止閥、空氣室等設備，具體內容詳見表2。

表2 水錘一般防護措施

4 結語

（1）在泵站啟動和關閉時，一般都會產生水錘，對泵站管道造成了嚴重危害。為了防治水錘的危害，本文以某具體工程為背景，分別從管材的選擇、關閥模式選擇、空氣罐優化、空氣閥的優化設計等四個方面來說明如何進行水錘的設計。

（2）本工程中，在泵后僅僅設置止回閥是不夠的，此時停泵水錘會超過管道最大壓力，極有可能導致爆管。因此對于大揚程泵站管道不應只設置簡單止回閥，而應采用緩閉式止回閥。在閉合方式上，本工程應采取0-15s內閥門全開，15s后立即關閉81%左右，15-251s內慢慢閉合到100%。空氣罐優化中發現隨著空氣罐體積的增大，水錘的危害逐漸減小。空氣閥優化中發現空氣閥應采用大孔進小孔出的設置原則可以有效減少負壓的影響。

（3）本文最后總結了幾種防護水錘危害的措施：設置緩閉式逆止閥，設置空氣室，設置安全閥，設置合理的調節規律，縮短管道長度等。

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TU991.39

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1672-2469（2016）01-0085-04

2015-06-12

王 娜（1990年—），女，工程師。