多起伏有壓輸水管道水錘防護措施研究

(1.華北水利水電大學 電力學院，河南 鄭州 450000；2.浙江水利水電學院 水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

當輸水工程中供水系統發生事故停泵時，為防止管道內水流大量倒流使機組轉速過高或機組長時間倒轉使機組損壞需關閉泵出口閥門，但是閥門關閉過快會使輸水系統中的水力參數發生變化，由此會產生較大的彌合水錘，嚴重時將導致管道爆管，破壞整個輸水系統的運行。因此，為了確保泵站及輸水系統的安全性和穩定性，需對輸水工程進行水力過渡過程計算，預測輸水系統的運行可靠性和危險工況，并提出合理的閥門關閉規律以及相應的防護手段[1-3]。

目前，輸水系統中常用的水錘防護措施有設置合理閥門關閉規律，安裝空氣閥、空氣罐以及調壓塔等。鄭興興等[4]通過對2臺泵并聯的20 km輸水管道進行停泵過渡過程計算分析發現，單一的防護手段不能有效抑制水錘破壞的發生，空氣閥和單向塔作為供水系統的水錘聯合防護措施較為可靠。蘭剛等[5]對某在建供水工程停泵水錘進行數值模擬，結果發現空氣罐與空氣閥相結合能有效減輕水錘對管道的破壞。本文對抽水斷電工況下某城市輸水管線進行水力過渡過程計算與分析，并提出合適的防護手段。

1 工程概況

某城市供水工程供水線路全長12.183 km，采用1×DN350 mm鑄鐵管，管道線路長且起伏較大，沿途局部存在高點，管中心線高程在137～212 m，設計供水流量501 m3/h。取水泵站加壓泵站，安裝3臺臥式雙吸離心泵，其中2臺工作，1臺備用。水泵主要技術參數如表1所示，供水線路管中心線高程圖見圖1。

表1 水泵主要技術參數

2 水錘防護措施

空氣閥是一種用于防止水泵抽水斷電管道內產生負壓的特殊閥門，其作用是當管道中出現負壓時，空氣閥自動打開，從外部向管道內進氣，抑制管道內過低負壓，避免管道遭到破壞；當管道內壓力過大，空氣閥會將管道內滯留氣體排出，避免滯留氣體危及系統安全[6]?？諝忾y的進排氣量除了與該位置管道中內水壓力相關外，還受到空氣閥自身孔口面積及泵出口處閥門關閉規律等因素的影響。

圖1 供水線路管中心線高程圖

空氣罐的作用是當管道中出現負壓時，空氣罐中的水體向管道中補水來抑制管線沿線負壓，并通過空氣罐中的高壓氣體抑制水體倒流而產生的高壓?？諝夤尥ǔＴO置在水泵出口附近的管道上，其對安裝場地和安裝高程沒有特殊要求，只要可以保證空氣罐容積足夠大并且罐內部壓力能夠作用到需要保護的范圍，就能將防護范圍擴大到整條供水管線。

綜合上述，結合兩種水錘防護措施的優點，可選用空氣罐和空氣閥聯合防護的方式，空氣罐在消除管道過大正壓與負壓時空氣閥作為輔助措施，可以更有效地避免管線水錘危害的產生；空氣罐的使用也大大減少了空氣閥的數量。

3 計算結果及分析

3.1 穩態工況恒定流計算

為詳細分析供水線路的過流能力和管線工作壓力，針對設計雙機運行工況，分別開展最大揚程、設計揚程、最小揚程共3個典型工況的恒定流計算分析。通過對供水線路開展恒定流計算，在設計揚程、最大揚程和最小揚程下，該供水線路均能通過設計流量1 278 m3/h，管線無負壓出現，滿足運行要求。

3.2 無調壓措施閥門拒動

本工程供水線路針對設計雙機運行情況，選取最大揚程工況作為控制工況，開展水泵事故停機水力過渡過程計算分析，使輸水管線沿線負壓不超過-4m。根據供水線路供水系統圖和線路布置圖，現狀管線沿線樁號0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000處共設有6個DN80 mm的空氣閥，針對最大揚程工況開展水力過渡過程計算分析，計算結果如圖2所示。

圖2 事故停泵過渡過程計算結果

在該工況下，泵后產生了143 m的壓力下降，該壓力波的傳播導致輸水管道線路多段管線出現較嚴重負壓，壓力最小值出現在樁號8+210處，為-36.03 m，不滿足規范要求。由于泵后閥門拒動，水泵抽水斷電后管道內水流倒流，水泵發生反轉，最大反轉速為-2 785.7 r/min，在規范的允許范圍內。沿線樁號0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000處空氣閥進氣，樁號8+400處空氣閥進氣量最大。為了消除管線存在的負壓，達到保護輸水管線安全目的，需要增設合適的平壓防護措施。

3.3 空氣罐與空氣閥聯合防護

由于管線起伏大，若單獨使用空氣閥作為水錘防護措施，通過計算需要空氣閥的數量較多，且防護效果不理想，因此采用空氣罐與空氣閥聯合防護。通過理論分析并優化，在線路原有空氣閥的基礎上，設置2個空氣罐，空氣罐設置位置分別在泵出口和樁號11+000處。經大量的面積與高度比選擇計算后，關閥時間以10 s關閉泵后閥門為宜，選取方案如表2，其水力計算具體結果如圖3所示。

表2 空氣罐體型參數表

圖3 事故停泵過渡過程計算結果

根據中華人民共和國國家標準——泵站設計規范(GB/T 50263-97)，事故停泵過程中，泵后壓力允許上升值為水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，反轉轉速不能超過額定轉速的1.2倍，且持續時間不能超過120 s，從計算結果得出，沿線最大內水壓力出現在樁號泵出口處，為148.07 m，最大反轉速為-2 900.16 r/min，沿線最小內水壓力出現在樁號12+200處，為-3.99 m，不超過-4 m，且空氣罐水位安全運行范圍內，滿足管線運行要求。故在輸水管線中采用空氣罐與空氣閥聯合防護的方式是安全可靠的。

4 結語

本城市供水項目屬長距離、小流量、加壓與重力流并存的有壓供水系統，在實際運行過程中，運行工況十分復雜，尤其是在水泵抽水斷電、各種運行工況之間進行切換時，將導致整個輸水系統發生水力過渡過程現象，進行輸水系統過渡過程計算并對線路停泵水錘防護方案比選分析得到如下結論。

1)無調壓措施閥門拒動工況下，事故停泵時水泵發生倒轉，反轉轉速符合規范要求，但供水線路出現大面積負壓，因此本城市供水項目的輸水系統必須設置穩壓措施，才能保證在泵站抽水斷電時，該系統的供水安全。

2)單一的防護措施不能有效消除負壓對輸水管線運行安全的影響。在泵出口閥門選擇合適的關閉規律的基礎上，采用空氣罐和空氣閥聯合防護，及時阻斷管道水流倒流，避免水泵發生較長時間反轉，管道沿程壓力均控制在管道設計壓力范圍內，有效地保證了管道安全，推薦使用該方案。