高扬程泵站工程水锤防护计算研究

李 江 徐 燕 李和龙

（1.新疆水利水电规划设计管理局 新疆乌鲁木齐 830000；2. 新疆腾源科技发展有限公司 新疆乌鲁木齐 830000）

高扬程泵站工程水锤防护计算研究

李 江1徐 燕1李和龙2

（1.新疆水利水电规划设计管理局 新疆乌鲁木齐 830000；2. 新疆腾源科技发展有限公司 新疆乌鲁木齐 830000）

本文以新疆某长距离、高扬程泵站扬水工程为例，通过PIPE2010水力/水锤和瞬态分析计算软件进行分析，使用液压缓闭止回阀、防水锤空气阀、水锤消除罐、水锤消除阀作用于一级、二级、三级扬水泵站的压力管道上，防止停泵水锤的发生，引起爆管的出现。通过分析计算，采取综合措施后，有效地降低了整个管道的水锤压力，达到了消除水锤负压，降低水锤正压的目的。

长距离 高扬程 停泵水锤

前言

停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管道系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生因停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。

停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。

水锤发生时，能量转化十分复杂，因此管道水锤数值模拟计算显得尤为重要。目前，用于水锤分析计算的软件国外主要有FLOWMASTER、Bentle.Hammer及PIPE2010等商业化软件，国内研究主要是根据弹性水柱理论，利用连续方程和动量方程这两个基本方程，自编程序进行计算。其中PIPE2000水力/水锤和瞬态分析软件具有水锤过程线绘制、稳态分析、峰值跟踪等功能，在国内外多个工程获得应用，实际运行效果较为理想。

本文以新疆某扬水工程为例，利用PIPE2010水锤分析计算软件对事故停泵时管道的水锤发生过程进行模拟，利用各类水锤消除组件，进行合理组合，达到消除停泵水锤的目的。

1 工程概况15

某扬水工程为水泵加压输水方式，为三级扬水工程，一级泵站进水池设计水位473.5m，最低水位473.5m；二级泵站进水池设计水位548.8m，最低水位547.0m；三级泵站进水池设计水位649.7m，最低水位647.9m。三级泵站出水池设计水位749.8m。一级、二级和三级泵站水泵的安装高程分别为471.75m、545.25m、646.15m。输水管线总长51.27km，采用单管+末端调节池方案供水，管径DN1400mm，管材均为K8级球墨铸铁管。每级泵站均设有进水池，有效容积为2000m3，共三座。其管线示意纵剖面图见图1。

图1 三级扬水泵站示意图

该工程采用2台泵运行，1台泵备用的运行方式。泵的额定参数为：水泵型号为500-1050、设计扬程110m、额定流量0.87m3/s、额定转速980r/min、泵效率0.84、水泵轴功率1800kW、转动惯量2062.8N-m2。水泵出口安装2阶段关闭的液控缓闭止回阀，关闭时间：5s快闭80%，5s缓闭20%。管材选用球墨铸铁管，壁厚17.1mm，海曾-威廉系数取130，汽化蒸汽压力-9.5m。

由于三级泵站设计扬程均为110m，一级泵站管线最长，为34.7km，二级泵站管线长10.4km，三级泵站管线长6.17km，一级、二级泵站的管线较长，而三级泵站扬程高、距离短、水力坡度大，水锤作用更为明显，也更具有代表性，故本文以三级泵站为例进行水锤分析研究。三级泵站输水管道纵断面见图2。

图2 三级泵站输水管道纵断面

2 停泵水锤分析

2.1 水锤防护设备选择

水锤防护设备选择是水锤分析计算的主要目的之一。水锤防护有两层含义，一是防止水锤现象的发生；二是将水锤危害程度降到最低。前者实际上要求运行管理者使输水系统保持正常工况；后者则要求设计者事先制订水锤防护策略，运行管理者及时采取相应的水锤防护措施。

根据当前水锤防护的技术水平和通用防护措施，从水锤防护设备的可靠性、管理方便、制造工艺水平、自动化程度等角度综合考虑后，该工程的水锤防护设备主要采用空气阀、液控缓闭止回阀、超压泄压阀（安全阀）和水锤消除罐，单（双）向调压塔等。调压塔体积较大，维护费用较高，且在北方冬季使用需考虑保温问题，造价也较高，本工程没有专门考虑。

2.1.1 空气阀

空气阀，又称“进排气阀”。一般设置在管线平坦段或管线起伏不大处。其工作原理是：当空气阀处的管内压力降到低于1个大气压时，迫使空气流入；当管内压力增加到1个大气压以上时，允许空气流出，从而防止管道中因负压而造成的水锤事故。但是由于进气和排气两相流过渡过程影响因素比较复杂，管道中排完空气时，可能产生水柱再撞击。

三阶段空气阀，又称具有防水锤组件的组合式进排气阀。具备高压微量自动排气和低压进排气功能。即将低压排气过程分为两个阶段：低压差时全速排气，较高压差时限制排气速度，以避免排气速度过快形成的水锤。该空气阀可以减缓系统内的压力波动，保证在系统出现负压时高速进气，在管道快速充水或出现水柱弥合工况时限制排气速度，利用空气的可压缩性和弹性缓冲水锤或系统内的压力波动，保护系统安全。当系统发生水柱分离时，大量的空气从空气阀低压进排气口进入真空区，以消除负压。当水柱弥合时，分两阶段低压排气。当管道高压时微量排气，通过微量排气口排放积聚在管线高点处的空气。

与水锤消除罐和调压塔相比，空气阀具有构造简单、造价低廉，安装方便等特点。

2.1.2 液控缓闭止回阀

液控缓闭止回阀（两阶段关闭蝶阀）的作用是当停电或水泵电源跳闸时，采用分阶段按程序关闭阀门。关阀分为两个阶段，各阶段缓冲时间可以调节。第一阶段可在4～60s内调节，第二阶段可在10～300s内调节。

为了迅速减少回水流量，阀门在关闭的前70度左右快速闭合，而剩余行程20度左右则为慢关，形成截流效应以降低动态水压至较低水平。通过设置两阶段关阀，能消除启、停泵水锤，保护泵房及设备安全。阀门两阶段关闭时间，可根据输水管路具体特性经过计算具体确定。

2.1.3 水锤消除罐

水锤消除罐用于消减停泵水锤时连接在水泵出水止回阀后的压力供水管道上，它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中压力变化，气压罐向管道补水或吸收管道中过高压力，抗水锤原理上与双向调压塔类似。相对于其它抗水锤装置，水锤消除罐具有以下特点：具有减少压力来回摆动的效果，能够将水锤现象对管路系统的各种危害削减到最小程度；罐中气体体积和压力随管道压力而变化，将罐中水量变化限制在气压罐容积范围之内；构造简单，自动运行，避免了如水锤消除器等装置因设备故障或人为原因造成的事故。

大量的工程实践表明，长距离输水管线的水锤防护不可能单独依靠一种设备来实现，必须依靠各种水锤防护设备互相协调、互相配合才能有效地对水锤进行防护。

2.2 无防护措施工况下的停泵水锤

停泵水锤的数值计算针对的是事故断电水泵开阀停车这种最不利的工况。在停泵水力过渡过程中，泵后止回阀的关闭程序对泵站管路系统的瞬变特性具有十分重要的影响，关闭的快慢与管线压力的变化、水泵倒流和倒转速有直接的关系。在发生突然断电停泵时，假设缓闭止回阀全开，没有起到缓闭作用的情况下经计算见图3～图5。

图3 液控缓闭止回阀全开时流量逐时变化曲线图

图4 液控缓闭止回阀全开时水击压力逐时变化曲线图

图5 止回阀全开时水泵转速变化曲线图

从图3可以看出，三级泵站首次出现零流量为10s，之后水泵开始出现倒转；从图4、图5可知，在液控缓闭止回阀全开处，三级扬水泵站在30s时，出现最高水击压力为220m，此时水泵反转严重，均超过飞逸转速1176r/min，应采取合适的关阀方案，保护水泵安全。当然也可考虑增加管道承压等级来抵抗水锤波的传递，但这种做法需要大大增加工程投资。有些工程设计人员提出管道设计按静水压力再增加1.5倍来抵抗水锤或增加大量进排气阀都是缺乏依据的。

2.3 缓闭止回阀关阀方案的停泵水锤

为防止管道中的水过多地倒流而产生断流弥合水锤，选择两种液控缓闭止回阀关闭方案：①5s快闭80%+5s缓闭20%；②10s快闭80%+20s缓闭20%。通过计算得到了两种方案的水锤分析压力包络线，见图6、图7。

图6 事故停泵管线压力包络线图

图7 事故停泵管线压力包络线图

从图6、图7可以看出，①5s快闭80%+5s缓闭20%的方案：三级泵站的最大压力为3.6MPa，超出了管道的承压能力，水泵均未出现水泵倒转和倒流。②10s快闭80%+20s缓闭20%的方案：三级泵站的最大压力为3.25MPa，超出了管道的承压能力，出现水泵倒转和倒流，但满足《泵站设计规范》（GB/T50265-2010）中“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min，最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍”的要求。由图6、图7可以看出，三级泵站的管线中部分管段的水锤压力高于稳态运行时的压力，且全线均有负压存在。通过分析可知10s快闭80%+20s缓闭20%方案的最高水击压力比5s快闭80%+5s缓闭20%方案降低35m。考虑最高水锤压力的降低值不是很大，考虑最不利工况，选用5s快闭80%+5s缓闭20%方案进行计算。

图8 事故停泵泵后止回阀处压力变化图

图9 事故停泵管线压力包络线图

图10 事故停泵泵后止回阀处压力变化图

从图8与图5可以看出，采用止回阀5s快闭80% 5s缓闭20%方案，使泵站不发生倒转，满足了规范的要求，但是由于关阀引起了整个管线中同时存在正压和负压，并有断流弥合水锤现象发生，需对三级扬水泵站中的管道进一步研究，消除负压、降低正压保护管道的安全。

2.4 设置防水锤设施后的停泵水锤

由图6可以看出，三级扬水泵站沿线没有采取任何水锤防护措施的情况，输水系统出现非常大的水锤升压，并且管线全线出现负压，在输水系统局部高点处增设了防水锤空气阀，三级泵站设置了8台防水锤空气阀，旨在避免水锤工况下系统超压以及较大负压的形成，防止输水系统出现“断流弥合水锤”。通过不断地调试，对防水锤空气阀的安装位置、尺寸、形式等进行了优化。从结果来看，相比于未安装防水锤空气阀的情况，系统的压力变化有了明显改善，但效果仍然不够理想。故又进行了进一步的优化设计。

在设置止回阀按5s快闭80%，5s缓闭20%的前提下，三级泵站在止回阀后设置10立方水锤消除罐1个，水锤消除阀2台，沿线设置8台DN150/PN1.6MPa防水锤空气阀。

图9、图10为管线上布设水锤消除罐、水锤消除阀及防水锤空气阀及泵出口液控缓闭止回阀2阶段关闭条件下，事故停泵过渡过程中的管线压力包络线及液控止回阀处的压力变化。从图9可以看出，由于水锤消除罐及时向主管道内补水，有效地防止了水柱分离及其再弥合现象的发生，管线中的最大水锤压力大大降低，三级泵站泵出口液控止回阀处的最大水锤压力为146m，但管道沿线的最小压力为-0.36m，出现负压，但高于水气化压力，不会产生水柱分离现象。由此可得，全部管线的最大水锤压力均控制在管道设计的承压等级以内，满足设计要求。

3 结语

长距离输水管线具有管线长、流量大、扬程高、多起伏等特点，停泵水力过渡过程复杂，其显著的特征就是在管线局部高点或者管段可能产生断流弥合水锤。在断流弥合水锤的发生和发展过程中，负压的存在容易造成管道受压变形，影响输水安全，而弥合升压对管道造成的剧烈的压力振荡容易导致管道的疲劳损坏，并引发爆管事故。发生事故停泵后，水泵机组的飞逸转速和全线管道中的水锤压力是长距离输水系统水力过渡计算中的主要问题。

本文利用PIPE2010水力/水锤瞬态分析软件，以防水锤型空气阀、水锤消除罐、水锤消除阀为重要防护措施，结合工程实例进行分析研究，发生事故停泵时，采用5s快闭80%+5s缓闭20%的液控缓闭止回阀的关闭程序，以防止水泵发生倒转，并在泵站的管线上优化了水锤消除罐、水锤消除阀及防水锤空气阀，经计算分析表明，该水锤分析可以有效的消除管道内的正压和负压并防止水泵倒转，满足工程设计的要求。

1. 柳宗仁.停泵水锤计算及其防护措施[J].甘肃水利水电技术，2004，40(3).

2. 林琦，刘志勇，刘梅清等.长管道输水系统停泵水力过渡过程分析与防护[J].中国农村水利水电，2011，2.

3. 梁建军，何强，褚同伟等.基于PIPE2008：Surge的超高扬程取水工程停泵水锤模拟分析[J].给水排水，2010， 36（6）.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.015

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1672-2469（2014）11-0044-04

15作者简介：李 江（1971年—），男，教授级高级工程师。