空氣閥口徑對長距離輸水系統停泵水錘防護效果影響分析

范 征

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 引言

在長距離泵站輸水系統中,受地形和沿途建筑物等限制,整個管線布設起伏曲折。此類泵站工程在水泵突然失電停機后極易引起管路系統中壓力的劇烈升高與降低。當水錘現象發生時,由于管線較長,在管線中某些位置壓力下降形成負壓甚至低于水的飽和蒸汽壓力,發生汽化,形成氣體空腔,出現水柱分離現象；當正壓波返回該處時,由于波的疊加效果再加上蒸汽空腔擠壓破裂,兩股分離的水流發生劇烈相撞,壓力突然升高,形成斷流彌合現象,這種壓力非常之高,超出管路的承壓很容易發生爆管。在泵站輸水工程中,水柱分離和斷流彌合瞬變現象對系統危害巨大。

目前,工程中常用的水錘防護措施主要有：單向調壓塔、雙向調壓塔、空氣壓力罐、空氣閥、水泵控制閥等措施[1]。為了解決管線中排氣、補氣問題,在管線適當位置裝設空氣閥是非常必要的。當空氣閥位置處管內壓力低于大氣壓力時,空氣閥自動開啟,空氣進入管線中,防止負壓惡化；當空氣閥位置處管內壓力高于大氣壓力時,多余氣體通過空氣閥排出,同時管內液體不排出。由于空氣閥的結構簡單,安裝方便,經濟投資少,且防護負壓效果顯著等特點,因此在現階段大量輸供水系統中空氣閥作為防護水錘的措施有非常廣泛的應用[2-3]。但是在實際工程中空氣閥大部分根據工程經驗進行布設,由于布設不當引起的管線破裂、壓扁等運行安全問題也時有發生。同時,目前輸水工程中常采用可“大進緩排”防水錘型空氣閥,則空氣閥的口徑選擇也對水錘防護有較大影響[4]。本文以工程實例為例,對輸水系統進行水力過渡過程模擬計算,并提出適用于該工程的空氣閥口徑及停泵水錘防護方案。

2 水錘計算方法

2.1 水錘計算的特征線法

泵站水錘的計算是對整個水泵抽水裝置進行計算分析,包括管道內點及與管道連接的泵裝置中的各部分（邊界點）。通過對水錘基本方程,即運動方程及連續性方程聯立,采用求解偏微分方程特征值的方法進行方程求解。因此,通過采用特征線的方法將該偏微分方程組進行離散,列出自特征線方向轉換出的兩列水錘全微分方程：

由式（1）和（2）進行有限差分近似,可以得到對應于圖1 所示的水錘離散特征線方程組：

圖1 水錘計算的特征線網格

解上述方程可得：

式中：Cp、CM為特征線方程的已知常數；B 為管道的特性常數,R 為管道摩阻特性常數,R= fΔx/（2 gDA2）；Q、H 分別為管道流量,m3/s,測壓管水頭,m；A 為管道斷面積,m2；f為管道摩阻參數；Δx 為網格管段長度。

2.2 空氣閥邊界條件

空氣閥邊界條件的物理模型見圖2。假定管內壓力大于當地大氣壓時,該點無氣體排出；管內壓力低于當地大氣壓時,空氣隨即流入該點,管道截面即為特征線方程所計算的管道內點。根據前述假定,管內流入的空氣滿足如下氣體定律：

圖2 空氣閥的邊界條件

由圖2中給出的符號及質量守恒定律,可將式（6）表示為：

與之相連的管道相容性方程為：

建立壓力水頭之間的關系為：

將式（7）～（9）聯立得：

空氣質量流量方程可由流經空氣閥的空氣質量流量與壓力、溫度等導出[2]。求解空氣閥的邊界條件,則聯立空氣質量流量方程及式（10）即可。

3 工程實例

3.1 工程概況

引洮一期會寧北部供水工程水廠泵站提水管線全長18.82 km,總管管徑0.5 m,進水池設計水位1547.8 m,出水池設計水位1638.1 m,泵站設計流量0.242 m3/s,設計揚程162 m。泵站共設3 臺臥式單級雙吸離心泵（2 用1 備）,單泵設計流量0.121 m3/s、設計揚程162 m,額定轉速2960 r/min。在水泵出口,設置多功能水泵控制閥。

3.2 無防護措施停泵水錘計算

在無任何水錘防護措施的事故停泵工況下,管路沿線負壓嚴重,大部分出現汽化（-8.3 m）,無防護措施工況下水力坡度線見圖3。水泵流量及轉速變化曲線見圖4,由圖可知,在無防火措施工況下,水泵機組倒流倒轉嚴重,不滿足相關規范要求。

圖3 無防護措施工況下管線水力坡度線

圖4 水泵流量、轉速～時間曲線

3.3 泵后控制閥動作,不設空氣閥的水錘計算

由上節計算結果可知, 在無防護措施工況下, 管線負壓嚴重, 大部分管線發生汽化, 且水泵倒流倒轉明顯, 如無有效措施防止水泵的倒流倒轉將嚴重縮短水泵的運行使用壽命。

多功能水泵控制閥是一種工程常用的泵后工作閥門,其可以通過水力自控的方式實現啟泵開機以及停泵關閉止回,尤其在停泵關閥階段,可以實現兩階段關閉即第一階段快關閥門開度的70%～90%,第二階段慢關至閥門關死,能滿足水錘需要,是較為理想的水泵工作閥門。本工程水泵出口采用多功能水泵控制閥作為泵后工作閥門。

根據多功能水泵控制閥工作原理,其在停泵后管線流量接近0 時大閥瓣關閉,即第一階段快關完成,進入第二階段慢關狀態。根據工程經驗,一般第二階段慢關時長可為快關時長5～8 倍。

根據上節計算成果,本工程事故停泵后,水泵開始倒流的時間約為停泵后19 s,則根據工程經驗及多次數值模擬計算結果,選擇泵后控制閥關閥規律為第一階段0～19 s 關至80%,第二階段19 s～90 s 關至100%。事故停泵后泵后控制閥動作工況下水泵流量及轉速變化曲線見圖5。計算結果顯示,水泵最大倒轉速度為-2169 r/min,倒轉時間低于2 min,滿足相關規范設計要求。說明水泵出口閥門關閉規律在合理范圍內。

圖5 水泵流量、轉速～時間曲線

3.4 泵后控制閥動作,設空氣閥的水錘計算

在事故停泵泵后閥門關閉,不設空氣閥工況中,雖然水泵的倒流倒轉情況得到改善,但由于管路沿線并未做水錘防護措施設置,因此管線負壓水錘依然嚴重,尤其管線后段產生高壓彌合水錘明顯。為解決管線負壓問題,在管線凸起點及高壓彌合水錘嚴重部位裝設空氣閥共25 個。空氣閥采用快進緩排型防水錘空氣閥,選取進氣口徑為80 mm,排氣口徑為10 mm。裝設空氣閥后事故停泵下水力坡度線見圖6。由表1 計算結果可知,在空氣閥口徑80/8 時,管線負壓為-7.3 m,管路沿線未出現汽化現象。說明裝設空氣閥可以有效控制管線負壓水錘。

表1 不同工況下計算結果統計表

圖6 裝設空氣閥工況下管線水力坡度線

3.5 空氣閥口徑優化

根據上節成果可知,空氣閥對管線負壓水錘防護有效。根據空氣閥的結構及功能特點,空氣閥口徑技術參數為可大口進氣的大口進氣口徑以及具有緩沖排氣作用（緩沖板）的小口排氣口徑。為確定該技術參數,本次分別對大口口徑80 mm、50 mm、100 mm,小口口徑20 mm、10 mm、8 mm、5 mm、2 mm 進行水力過渡過程計算,以優化空氣閥口徑參數。計算成果見表1。

由表1 數據分析可得,當空氣閥小口口徑一致時,大口口徑越大對負壓防護越好,但大至一定規格反而效果不明顯,這說明空氣閥大口口徑并不是越大越好,分析原因是在該點需補氣量在一定口徑范圍內即夠用,另外,若口徑較小時有補氣不足的問題產生。當空氣閥大口口徑一定時,小口口徑越小對負壓防護越好,這是因為空氣閥的小口具有緩排的功能,能夠使進入管線的空氣在排出時具有緩沖作用,以此緩解水錘,但由于空氣閥小口是設置在其緩沖板結構中,過小的小口口徑不利于部件加工,且易產生堵塞問題。結合空氣閥口徑優化成果,本工程空氣閥口徑參數選取為80/5。

4 結論

在長距離泵站輸水管線中,事故停泵后極易引起水錘現象,危害系統安全運行。本文通過工程實例進行水錘數值模擬計算得到具體結論如下：

1）對于有可能產生水錘危害的泵站工程,應通過事故停泵水錘計算來確定系統水錘防護方案。

2）泵后裝設具有合理關閥規律的控制閥,能夠有效控制事故停泵后水泵的倒流倒轉。

3）管路沿線裝設空氣閥對于事故停泵后管線負壓防護效果明顯,空氣閥布設位置除應布置在局部凸點外,還需要根據水錘計算結果,分析確定布設于負壓嚴重的部位。

4）空氣閥的主進排氣口徑（大口）選取過小會影響水錘防護效果,選取過大則效果無改善；緩沖小口口徑選取越小對負壓防護越好,但應結合設備制造難度及工程實際環境合理選取。

5）通過工程實例可知,泵后設合理關閥規律的多功能水泵控制閥配合管路沿線設空氣閥的水錘防護方案是安全可靠的,對于空氣閥口徑優化的探究為其他類似工程提供了經驗。