高揚程泵站停泵水錘防護技術對策

閆沛鑫

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400）

輸水工程作為人們生產生活最重要的工程之一，近些年隨著社會經濟的發展有了迅猛發展，規模逐漸增加。但是在實際供水時也顯露了某些安全性方面的問題，例如水錘問題是最為嚴重的問題之一。特別是對于高揚程泵站來說，受到較高揚程、較大輸水量的影響，一旦因為故障而停泵時就容易造成非常嚴重的水力過渡問題，對于泵站甚至整個供水系統的安全性都具有非常嚴重的影響。所以需要加強高揚程泵站水錘問題的分析研究，制定出針對性的防護技術對策，從而確保事故停泵水錘的有效防護。

1 案例工程基本概況

甘肅某市建設長距離輸水工程總體長度約9000m，供水管道直徑達到DN350mm，雖然管徑相對較小但是其沿程高程變化較大，管道起始端高程達到660.53m，尾端高程達到1005.78m，高程差較大，同時管道承壓較嚴重。通過分析可知，若是較長輸水管道首尾端起伏比較大時就容易產生水錘現象，所以為了確保此管線運行的安全性、盡量防止產生水錘事故，需要對此輸水管道系統運行以及調節中可能產生的水錘問題進行分析。

2 高揚程泵站停泵水錘防護技術對策分析

2.1 無防護情況下停泵水錘分析

本文所進行的分析主要是對于正常供水（速度為305.7L/s）情況下停泵水錘來進行的，為了確保突然斷電情況下能夠對水泵機組進行有效保護，我們將止回閥安裝在了泵出口的管道處，這樣遇到停電等特殊狀況可以快速起到防護狀態。該水泵的停泵水錘在無防護措施下計算的情況如圖1 所示。

圖1 停泵水錘在無防護措施情況下計算情況

從上圖中可知，在停泵情況下泵出口的最大水錘升壓超過了2000m，在去除此位置管道高程情況下能夠得到管道的受壓值（5.27MPa），該值已經超出了此位置管道可以承載的壓力（4MPa），同時很多位置水錘升壓會超過管道的承載性能，超出水體承拉性能極值就會造成相應的蒸汽空腔，這樣就形成了斷流空腔，從而形成斷流空腔最終再彌合成水錘，所以為了維護整個泵站機組系統的運行穩定、安全性，需要對停泵采取相應的措施[1]。

2.2 停泵水錘防護技術分析

（1）“空氣閥+泵端液控蝶閥”防護技術分析

正常供水情況下在泵出口位置設置液控蝶閥，關閉閥門的順序為1.5s 關閉60%、65%、70%，同時采取不同組合方式對水錘防護進行相應的分析，組合方式是按照全關時間60s、120s、180s、240s 來進行的。同時在該工程中我們在輸水管道的2334m、2604m、5968m 等合適位置上，分別設置進氣口徑120mm、出氣口徑6mm 的空氣閥。通過采取此種防護技術措施設定方式，我們后期經過實際運行論證能夠得知，停泵水錘防護管道的負壓大體消失，但是隨著液控蝶閥關閉規律的不同，整個管道的正壓下降情況還是存在一定不同，通過實際測定可知以下幾種關閥方式能夠有效控制水錘升壓下降到管道能夠承受范圍內，分別為：

1.5s 快關60%全關180s、1.5s 快關60%、65%、70%全關240s。

（2）“空氣閥+超壓泄壓閥”防護技術分析

通過停泵水錘在“空氣閥+超壓泄壓閥”防護下分析結果，如圖2 所示，在該系統中我們采取空氣閥并且在多處設置超壓泄壓閥的防護方式，并且我們從圖中可以得知，采取此種停泵水錘防護方式對于水錘正壓作用具有良好的降低效果，但是不可忽視的是，所采用的管道承壓能力相對較低，這樣會造成泵出口位置以及相應管道處產生管道破裂現象發生，產生的原因是因其會受到水錘升壓產生的作用力。通過此種“空氣閥+超壓泄壓閥”的綜合作用，能夠對控制水錘負壓起到非常好的防護效果，甚至能夠直接消除掉管道的負壓。

圖2 停泵水錘在“空氣閥+超壓泄壓閥”防護下分析結果

總的來說，采取“空氣閥+超壓泄壓閥”的防護方式可以有效確保此工程在遭遇突發停泵水錘情況下泵站以及相應管道的安全性，雖然此種防護方案具有某些缺陷，主要是由于管道自身承壓能力有限制約的，總的來說此種防護方案具有較強可行性[2]。

（3）“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”防護技術分析

通過以上分析能夠得知，采取蝶閥時采取1.5s快關60%及180s 全關關閉規律，對于停泵水錘具有很好的保護效果，能夠使整個系統處于安全穩定的環境下。但是此種防護方式的安全系數相對較低。相對于采取空氣閥進行補氣來說，采取調壓塔進行補水的效果更佳，但是此種防護方式的總體投入成本相對較高，所以只需在相應位置設置一個單向調壓塔即可，停泵水錘在“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”防護下分析結果如圖3 所示。從該圖中能夠得知，停泵水錘的最佳防護效果是在采取300mm 管徑的單向調壓塔進行補水時產生的，此種情況下不但可以有效減少水錘升壓，同時運行更為穩定。若是采取150mm 管徑的單向調壓塔進行補水，雖然可以有效降低水錘升壓并且能夠有效提升負壓，但是在管道的末端還是存在一定問題，包括水錘升壓超過管道承壓、安裝調壓塔周邊管道負壓顯著等[3]；采取225mm 管徑單向調壓塔進行的防護效果與采取150mm 管徑單向調壓塔進程的防護效果大體相同。

圖3 停泵水錘在“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”防護下分析結果

總的來說，若是確保調壓塔具有充足的水量，那么最好采取300mm 補水管徑的單向調壓塔進行防護。

（4）“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”防護技術分析

從上述所進行的多種防護措施分析情況來看，可以在+2571m 位置設置單向調壓塔，此種方式所得到的效果和“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”的防護方案大體相似，停泵水錘在“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”防護下分析結果如圖4 所示。

圖4 停泵水錘在“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”防護下分析結果

通過分析可知，在管道負壓提升方面來說，這種停泵水錘的防護效果在“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”的防護方式下，和“空氣閥+超壓泄壓閥”的防護方式下大體相同，但是采用這種“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”相組合的防護方式在降低水錘正壓方面的效果更佳，能夠有效消除掉4500m 段管道的安全隱患問題，但是在泵出口位置以及9700m 位置的管道還是可能因為水錘正壓問題而造成管道破裂的情況，需要特別給予關注。

通過上述分析可知，我們采取“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”的防護方式在停泵水錘防護效果上，和采取“空氣閥+超壓泄壓閥”的防護方式具有類似的效果，這兩種防護方式下水錘升壓在一定程度上對于管道的安全具有影響，但是總體上看此防護方案效果更佳，具有較強的可行性[4]。

2.3 停泵水錘防護技術分析結論

以無防護停泵水錘計算結果作為基礎，通過對高揚程泵站停泵水錘實施不同類型的防護措施，能夠得到如下幾方面結論：

（1）針對本工程的具體情況分析，可以得出可采取多種停泵水錘防護技術，其中包括：“空氣閥+泵端液控蝶閥防護”“空氣閥+超壓泄壓閥防護”“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”防護“調壓塔+空氣閥+超壓泄壓閥”防護等等，經過理論與實踐相結合的方式進行論證，可知“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”的防護方式能夠得到最佳的效果，可以有效降低水錘正壓。

（2）在工程建設過程中要求管道承壓需達到正常工作壓力的1.3～1.5 倍，但在實際建設過程中往往由于控制不嚴達而不到標準，如果采取液控蝶閥或者超壓泄壓閥的方式實施停泵水錘防護，需要在一定程度上延長蝶閥總關閥的時間，同時也要相應的調低超壓泄壓閥臨界壓力值。

（3）通過對以上不同停泵水錘防護技術對比分析可知，若是在管道的最高點設置單向調壓塔則能夠大大提升起伏管道其余高點以及整個管道負壓，同時也可以減小由于停泵對于水錘所產生的升壓影響，起到比較好的防護效果。

3 結束語

高揚程泵站若是因為事故而停泵就非常容易形成嚴重的水力過渡問題，對于泵站甚至整個供水系統的安全性都會有非常嚴重的影響，需要采取相應的措施進行防護。本文主要介紹了幾種不同的停泵水錘防護技術措施，通過不同措施的對比分析可知采取“調壓塔+空氣閥+泵端液控蝶閥”的防護技術措施可以獲得較好的效果。通過本文的介紹能夠對高揚程泵站停泵水錘防護提供一定參考和幫助，對于進一步推動水利工程發展具有現實意義。