弓背形高揚程泵站負壓水錘防護研究

白綿綿，趙娟，李軼亮

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

弓背形高揚程泵站負壓水錘防護研究

白綿綿，趙娟，李軼亮

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

為研究弓背型高揚程泵站在事故斷電時的負壓水錘防護，以陜北某典型泵站作為對象，采用特征線法進行水力過渡計算，分析比較設置泵后緩閉閥、空氣閥、調壓井、空氣罐和增大機組轉動慣量等方案的壓力包絡線。結果表明：泵后緩閉閥和空氣閥對這種水錘源不在泵站的管道負壓幾乎不起作用；相比受限較多的調壓井和機組轉動慣量，空氣罐更能靈活經濟的消除管道負壓及可能引起的彌合水錘。

水錘；空氣閥；調壓井；空氣罐

泵站在機組事故斷電或閥門誤操作等水力過渡中有可能引發水錘，給泵站管路系統和機組安全帶來嚴重危害。近年來，水泵機組轉動慣量有顯著減小的趨勢，當事故停泵時，整個泵站系統中壓力下降過快，最低水頭普遍低于輸水管道軸線，如果不及時補充空氣或注入水來消除負壓，將會導致多處水柱分離，進而引起具有更大破壞性的再彌合水錘[1-4]。對于只有少量局部高點的泵站系統，大多采用在高點設置空氣閥的方法來降低負壓，但對于目前較為普遍的弓背形管線，往往在背部以上線路出現線狀較嚴重負壓，無法單純依靠空氣閥來解決[5]。

針對上述問題，本文以陜北一典型弓背形、高揚程泵站為依托，對泵后緩閉止回閥、空氣閥、調壓井、空氣罐和增大轉動慣量等水錘防護方案進行分析對比，并得到此類型泵站較為合理的水錘防護方案。

1 水力過渡計算原理

水力過渡計算是對整個輸水管道系統進行計算分析，包括管道內節點與管道連接的水池、泵、閥門等其他過流元件以及空氣閥、空氣罐、調壓井等防護設備。在計算中，對管道節點是基于封閉管道的連續性方程和運動方程，利用特征線法將這兩個偏微分方程轉化成全微分方程，沿左右兩條特征線進行迭代求解。當所求解的節點不是管道節點時，將節點的特征線方程與相應的邊界條件聯立進行求解。

1.1 空氣閥數學模型

水力過渡中，在管道局部高點處易形成負壓，安裝空氣閥后，當節點處壓力低于大氣壓時，外界空氣由于壓差迅速進入空氣閥，當節點處壓力高于大氣壓時，管道內存留空氣由空氣閥排出。目前通用的空氣閥模型[6]都做以下四個假定：

空氣等熵的流入流出空氣閥；由空氣閥流入管道的空氣仍留在它可以排出的空氣閥附近；管道內液體表面高度基本不變，空氣體積和管段里液體體積相比很小；管道內空氣的溫度始終不變。

流過空氣閥的空氣流量取決于外界大氣的絕對溫度Ta、絕對壓力Pa以及管道內節點的絕對溫度T和絕對壓力P。根據管道內絕對壓力的不同，空氣閥內的空氣質量流量分為四種情況求解：

式中：m為空氣質量流量；ρ為空氣密度；下標1、2分別代表空氣閥內空氣流量方向；1為流入，2為流出；C和S分別為空氣閥流量系數和孔口面積；R為氣體常數。

1.2 調壓井數學模型

調壓井分單向調壓井和普通調壓井，普通調壓井一般簡稱為調壓井。單向調壓井中水流只能由調壓井流向管道而不能反向流動，一般用來防止負壓，因此體積較調壓井要小。調壓井內水流視壓力情況可在井和管道之間雙向流動。單向調壓井和調壓井可共用同一個數學模型，將調壓井模型中的流入流量系數設為無窮大則變為單向調壓井[6]。

圖1 調壓井結構示意圖

如圖1所示調壓井，調壓井橫斷面為圓形，通過連接管與管道相接。

調壓井底部節點C的連續性方程為：

式中：下標代表節點，i-1、分別為調壓井所在節點的上游節點和下游節點，為流過節點的流量；為流入調壓井的流量。

流入調壓井的流量和調壓井水位之間存在如下關系：

式中：Ht為調壓井水頭，Ht=Zt+Yt，其中Zt為調壓井底部高程，Yt為調壓井水深；At為調壓井斷面面積。

動量方程：

式中：g為當地重力加速度；Ht為調壓井所在節點i的水頭；ζ為調壓井阻抗孔面積；ft為調壓井阻抗孔阻抗；Dt為調壓井沿程水力損失系數；為調壓井井身直徑；最后一項是調壓井水位變化引起的附加水頭損失。

1.3 空氣罐數學模型

空氣罐用短管連到主管道上，當水泵正常工作時，主管道內的水壓力使罐內的空氣壓縮，由于空氣比水輕，故上層為空氣，下層為水，水氣自然分離。一旦水泵突然停止，當管道中的壓力降低時，罐內空氣迅速膨脹，下層水在空氣壓力作用下迅速補充給主管道，從而防止管中壓力下降過大或防止產生水柱分離。當水錘波反射傳回，管道中的壓力上升時，主管中的高壓水倒流到空氣罐中，使管道中的空氣壓縮，從而減小主管中的壓力升高。

對空氣壓力罐內空氣按等溫絕熱過程考慮，則有[6]：

式中，?i為△t時段初的空氣體積；Qp3為△t時段開始時向罐內補水的流量；Q3為△t時段末向罐內補水的流量；n為氣體膨脹多變指數，對等溫過程n=1.0，對絕熱過程n=1.4。對目前較為常見的囊式空氣罐，當充入氮氣時，可按絕熱過程處理，取n=1.4。

圖2 空氣罐結構示意圖

向罐內補水的流量Q3與連接短管兩端的壓差有關，對連接短管3中的水體，不考慮彈性影響，可有如下的剛性水體運動方程：

式中，F1和F2是加在管段前后的壓力，Ff是作用在流體上的摩擦力。

2 弓背形高揚程泵站負壓水錘防護

2.1 弓背形高揚程泵站負壓水錘

陜北某泵站共布置3臺（2工1備）D550-50-6型多級離心泵。單泵設計流量0.135 m3/s，設計揚程274 m。水泵與電機總的轉動慣量取20 kgm2。出水管道為DN400鋼管，長約3.7 km，糙率0.012。如圖3所示，出水管道呈典型的弓背形。

這種弓背形高揚程泵站，若系統無任何防護措施，斷電引起的負壓比較嚴重（見圖3），爬坡膝部和下游的管道最小水頭遠低于管道軸線，幾乎都處于汽化狀態。系統的水錘源并不在泵站處，更多的在管道節點，所以調整泵后閥門的關閉規律并不會對負壓起作用，如表1所示。

圖3 出水管道軸線及水頭包絡線（無防護）

表1 不同關閥規律壓力極值統計

2.2 不同方案水錘防護效果對比

負壓水錘防護一般從以下幾個途徑著手：注入水，如設置調壓井、空氣罐等，注入空氣，如安裝復合式空氣閥、注氣微排閥等進行穩壓，控制系統壓力振蕩，從而防止出現真空和再彌合水錘的更大危害；泄水降壓，避免水柱彌合引起的壓力陡升，如安裝防爆膜、水錘消除器，設置旁通管等措施；減緩流速變化，如增大機組轉動慣量等[7～10]。

針對上述泵站，采用不同設備進行負壓水錘防護。其中，方案一、二在管線上分別設置復合式空氣閥和注氣微排閥，其安裝位置、進氣孔徑相同；方案三在方案二的基礎上增大機組轉動慣量至150 kgm2；方案四在出水母管起端設置普通雙向調壓井；方案五在泵站內出水母管上設置一10 m3空氣罐。

不同防護方案計算結果如圖4所示。左側為最大壓力包絡線，除復合式空氣閥由于排氣速度過快引起較嚴重彌合水錘外，其他方案最大壓力在數值上差距并不大。右側為最小壓力包絡線，復合式空氣閥由于排氣快，對管道內負壓完全沒有作用；注氣微排閥可短時間將吸入的空氣留存于管道內，效果較復合式稍有改善，但由于管線幾乎都處于汽化狀態，依然無法有效解決線上負壓問題；增大機組轉動慣量與注氣微排閥相結合，可大幅度降低管線負壓；調壓井和空氣罐效果最為理想，均可以完全消除負壓。

分析發現，對于這種典型的弓背形高揚程泵站，無論是復合式空氣閥、注氣微排閥或者單向調壓井，只能解決點上的問題，并不能從根本上消除彌合水錘隱患；大幅增大機組轉動慣量可以從根本上降低負壓，但會導致主廠房尺寸增大，且增大電機負荷，一般情況下不太采用；普通的雙向調壓井可以很好的解決正負壓問題，但高度比較高，工程實踐困難，投資大；空氣罐容積小、可靠性高，可有效降低負壓，進一步消除彌合水錘。

圖4 出水管道最大、最小壓力包絡線（不同防護方案）

3 結論

本文針對弓背形高揚程泵站普遍存在的負壓問題進行了計算分析，研究探討了不同設備的水錘防護效果，主要有以下結論：

（1）弓背形高揚程泵站事故斷電后常在膝部及下游整個管道產生嚴重負壓，由于管線走勢復雜，水錘源較多且不在泵站，所以泵后緩閉閥的關閉對這種系統中的負壓現象無任何作用；

（2）空氣閥只能解決點上負壓，不能解決線上負壓問題；大幅增大機組轉動慣量、設置調壓井固然可以降低負壓，但工程實踐性較差；空氣罐可有效消除負壓及可能引起的彌合水錘，且容積小，易于管理，工程上可結合空氣閥、水擊泄放閥等作為此類泵站較為理想的水錘防護方案。

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Study on Protection of Negative Pressure Water Hammer in Arch Shaped High-lift Pump Station

Bai Mianmian,Zhao Juan,Li Yiliang
（Shaanxi Provincial Water Conservancyand Power Surveyand Design Institute Xi'an 710001,Shaanxi）

The article is based on interruption of power supply at accident and study howto protect the negative pressure water hammer ofthe arch shaped high-lift pump station.Atypical pumpingstation in northern Shaanxi is used as the object,the hydraulic transition calculation is carried out by the characteristic line method.Analysis and comparison of pressure envelops of the slowclosing valve behind the setting pump,air valve,surge shaft,air tank and increasing the running inertia of the unit and other method,the results showthat the slowclosing valve behind the pump and the air valve almost does not work of negative pressure on pipes ofthe water hammer source not in the pump station.Compared tothe more limited surge wells and unit inertia, theair tank is moreflexibleand economicaltoeliminateofthepipenegativepressureand maycausethewater hammer tomelt.

The water hammer,air valve,surge well and air tank

TV675

B

1673-9000（2017）04-0057-03

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白綿綿（1986-），女，陜西渭南人，注冊公用設備工程師，碩士，主要從事供水工程設計和水力過渡過程研究。