某長距離供水工程事故停泵閥門拒動水錘計算分析

陳增偉

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

本文以某工業園區四級加壓泵站輸水系統為例，研究在水泵出口附近安裝兩階段關閉閥加水塔對水錘防護的作用。水塔既有單向調壓塔的作用，用于防護水錘，也具有高位消防水箱的作用，既滿足泵站初期的消防水量和水壓的要求，又能提供泵站內的生活用水[1-4]。

1 工程概況

1.1 基本情況

泵站內安裝有四臺水泵機組，泵站主廠房平面尺寸8.00 m×37.52 m，下部水機層凈高4.84 m，上部廠房凈高7.00 m，副廠房布置于主廠房一側，平面尺寸15.60 m×20.70 m，泵站進、出水方式為正進、正出，各臺水泵吸水管為DN500鋼管，進口為喇叭型。出水管為2根長15.4 km、管徑DN800鋼管。前池(吸水池)設計水位1106.44 m，最低水位1104.79 m，出水池設計水位1212.82 m，最低水位1209.8 m，水泵安裝高度1104.60 m，設計凈揚程105.01 m，水泵與出水管的連接處地面高程1106.50 m。出水管裝有兩階段關閉液控蝶閥，其后安裝水塔。

1.2 穩態運行工況

正常工作水頭線如圖1所示，可以看出，輸水管線起伏較大，存在多個局部最高點，這些局部最高點在事故停泵時容易發生斷流彌合水錘，所以必須采取防護措施，且穩態時水泵出口的壓力最大為1245.5 m。

圖1 正常工作水頭線

1.3 事故停泵閥門拒動

圖2為三臺水泵同時事故斷電停泵，且兩階段關閉閥不起作用的情況下水泵的各特征量的變化曲線。從圖中可以看出，在停泵25.94 s后水泵開始發生倒流，最大泄流量超過額定流量的0.73倍，停泵26.73 s后水泵開始發生倒轉，且水泵的最大倒轉速度超過額定轉速的1.12倍。規范規定水泵機組倒轉轉速不超過1.20倍的機組額定轉速，并且機組的反轉是不正常的運行方式，易導致某些部件的損壞，所以盡可能避免出現較長時間的低速反轉，且反轉速度越小越好。

圖2 水泵的無量綱特征量變化曲線

2 結果分析

2.1 兩階段關閉蝶閥的水錘防護效果分析

普通止回閥在瞬間關閉會導致管線中壓力的急劇上升，但是不加止回閥時水泵的倒流流量和反轉速度都很大，因此需要在水泵出口處安裝階段關閉蝶閥，來降低升壓和減小反轉速度。在樁號0+000.0安裝兩階段緩閉蝶閥，不采取其他的水錘防護措施時，閥門的快關角度、慢關角度、快關時間、慢關時間的最優組合下的最大最小壓力包絡線如圖3所示。

圖中可以看出，兩階段關閉閥的快關時間和角度、慢關時間和角度的不同組合對水錘升壓的大小和趨勢有影響，所以關閥參數的確定非常重要，從上面的仿真可以看出在快關時間為29 s、快關角度為55°、慢關時間為100 s、慢關角度為35°時，水錘的防護效果最優，此時最大水錘壓力發生在1斷面為額定壓力的1.43倍，滿足《泵站設計規范》(GB 50265—2010)要求的“水泵最大壓力不得超過額定壓力的1.3～1.5倍”的要求，但是由于大部分管線的負壓超出了管線承受的范圍，為了保證輸水管線正常運行，必須采取其他的水錘防護措施。

2.2 水塔水錘防護效果分析

只在1斷面蝶閥和水塔聯用，水塔的安裝高度為20 m。水泵的無量綱特征量變化曲線如圖4所示，可以看出，加水塔后停泵4.22 s后水泵開始發生倒流，最大泄流量超過額定流量的0.53倍，停泵10.79 s后水泵開始發生倒轉，且水泵的最大倒轉速度超過額定轉速的0.68倍，和不加水塔相比，水泵的倒流量和倒轉速度都得到了很好的控制。水塔具有顯著的水錘防護效果，可以有效地防治管路負壓，預防斷流彌合的發生，是較為可靠的防護措施。后大部分管線負壓較嚴重，水塔的單獨使用不能滿足全線水錘防護的要求，還必須增加配合其他的水錘防護措施。

圖4 水泵的無量綱特征量變化曲線

在1斷面蝶閥和水塔聯用，部分斷面加空氣閥。長距離輸水工程出于水錘防護的目的一般需要設置空氣閥，在平坦的管路上每隔800～1000 m設置一個空氣閥，且根據地形起伏，必須在管線的局部最高點設置，整個管線的防護效果如圖5。

從圖5可以看出，安裝水塔和空氣閥后全線的最小壓力值達到要求，最大水錘壓力為額定壓力的1.445倍，滿足泵站設計規范要求。

圖5 最大最小壓力水頭包絡線

2.3 水塔不同安裝高度下的水錘防護效果分析

設定水塔的直徑為1.6 m，水塔向主管道的補水管的直徑為250 mm，對水塔的初安裝高度分別取15 m、20 m、28 m進行計算，結果如表1。

表1 不同安裝高度管道中的壓力和水塔出流量

從表中可以看出，水塔的初始水位越高，需要的水塔體積越大，水錘防護效果越好，但是相應造價也越高，本工程水錘防護的最小安裝高度為20 m。

2.4 水塔不同塔徑下的水錘防護效果分析

設定水塔的初始水位為20 m，水塔向主管道的補水管的直徑為250 mm，對水塔的塔徑分別取1.0 m、1.6 m、2.0 m進行計算，結果如表2。

表2 不同塔徑下管道中的壓力和水塔出流量

從表中可以看出，塔徑越大，發生水錘時的最大壓力水頭線更接近穩態線，對正壓有消除作用，但是效果不明顯。塔徑越小，負壓產生時沒有足夠的補給水量，本文綜合考慮以上兩方面選擇最佳塔徑為1.6 m。

2.5 水塔不同補水管徑下的水錘防護效果分析

設定水塔的初始水位為20 m，塔徑為1.6 m，對水塔的補水管的直徑分別取為200 mm、250 mm、300 mm進行計算，結果如表3所示。

表3 不同補水管徑下管道中的壓力和水塔出流量

從表3中可以看出，水塔的補水管徑越大，發生水錘的最大壓力線和穩態壓力線越接近，對正壓的消除作用越強。補水管徑較小時，負壓產生時沒有足夠的補給水量，但是補水管徑過大，雖然補給量和補水速度達到了要求，但是倒流量會增大，因此補水管徑不宜過大，本工程選用補水管徑為250 mm的補水管進行補水。

3 結 論

本文用工程實例對研究內容進行了驗證分析，結論如下：

(1)閥門拒動時計算結果表明:在泵出口沒有設置止回閥時，水泵的最大反轉速度為正常運行的1.12倍，水泵反轉時間較長，危害嚴重。

(2)水塔宜設置在水泵出口附近，這樣既可以防護水錘又可以供消防和生活使用，水塔的安裝高度為20 m，塔徑為1.6 m，補水管徑為250 mm時，水泵出口后74個斷面的負壓值均滿足設計規范要求，水塔對消除負壓的效果明顯，能夠減緩上游管段的負壓問題。設置水塔時，考慮到其造價，水塔的高度不宜過高，應能夠有效地防護水錘又能滿足消火栓最不利點的水壓的要求，選擇水塔的理論計算高度為28 m，綜合考慮消防用水和防護水錘所需的水量，選擇水塔的理論計算容積為20 m3。