弓背形高扬程泵站负压水锤防护研究

白绵绵，赵娟，李轶亮

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

弓背形高扬程泵站负压水锤防护研究

白绵绵，赵娟，李轶亮

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

为研究弓背型高扬程泵站在事故断电时的负压水锤防护，以陕北某典型泵站作为对象，采用特征线法进行水力过渡计算，分析比较设置泵后缓闭阀、空气阀、调压井、空气罐和增大机组转动惯量等方案的压力包络线。结果表明：泵后缓闭阀和空气阀对这种水锤源不在泵站的管道负压几乎不起作用；相比受限较多的调压井和机组转动惯量，空气罐更能灵活经济的消除管道负压及可能引起的弥合水锤。

水锤；空气阀；调压井；空气罐

泵站在机组事故断电或阀门误操作等水力过渡中有可能引发水锤，给泵站管路系统和机组安全带来严重危害。近年来，水泵机组转动惯量有显著减小的趋势，当事故停泵时，整个泵站系统中压力下降过快，最低水头普遍低于输水管道轴线，如果不及时补充空气或注入水来消除负压，将会导致多处水柱分离，进而引起具有更大破坏性的再弥合水锤[1-4]。对于只有少量局部高点的泵站系统，大多采用在高点设置空气阀的方法来降低负压，但对于目前较为普遍的弓背形管线，往往在背部以上线路出现线状较严重负压，无法单纯依靠空气阀来解决[5]。

针对上述问题，本文以陕北一典型弓背形、高扬程泵站为依托，对泵后缓闭止回阀、空气阀、调压井、空气罐和增大转动惯量等水锤防护方案进行分析对比，并得到此类型泵站较为合理的水锤防护方案。

1 水力过渡计算原理

水力过渡计算是对整个输水管道系统进行计算分析，包括管道内节点与管道连接的水池、泵、阀门等其他过流元件以及空气阀、空气罐、调压井等防护设备。在计算中，对管道节点是基于封闭管道的连续性方程和运动方程，利用特征线法将这两个偏微分方程转化成全微分方程，沿左右两条特征线进行迭代求解。当所求解的节点不是管道节点时，将节点的特征线方程与相应的边界条件联立进行求解。

1.1 空气阀数学模型

水力过渡中，在管道局部高点处易形成负压，安装空气阀后，当节点处压力低于大气压时，外界空气由于压差迅速进入空气阀，当节点处压力高于大气压时，管道内存留空气由空气阀排出。目前通用的空气阀模型[6]都做以下四个假定：

空气等熵的流入流出空气阀；由空气阀流入管道的空气仍留在它可以排出的空气阀附近；管道内液体表面高度基本不变，空气体积和管段里液体体积相比很小；管道内空气的温度始终不变。

流过空气阀的空气流量取决于外界大气的绝对温度Ta、绝对压力Pa以及管道内节点的绝对温度T和绝对压力P。根据管道内绝对压力的不同，空气阀内的空气质量流量分为四种情况求解：

式中：m为空气质量流量；ρ为空气密度；下标1、2分别代表空气阀内空气流量方向；1为流入，2为流出；C和S分别为空气阀流量系数和孔口面积；R为气体常数。

1.2 调压井数学模型

调压井分单向调压井和普通调压井，普通调压井一般简称为调压井。单向调压井中水流只能由调压井流向管道而不能反向流动，一般用来防止负压，因此体积较调压井要小。调压井内水流视压力情况可在井和管道之间双向流动。单向调压井和调压井可共用同一个数学模型，将调压井模型中的流入流量系数设为无穷大则变为单向调压井[6]。

图1 调压井结构示意图

如图1所示调压井，调压井横断面为圆形，通过连接管与管道相接。

调压井底部节点C的连续性方程为：

式中：下标代表节点，i-1、分别为调压井所在节点的上游节点和下游节点，为流过节点的流量；为流入调压井的流量。

流入调压井的流量和调压井水位之间存在如下关系：

式中：Ht为调压井水头，Ht=Zt+Yt，其中Zt为调压井底部高程，Yt为调压井水深；At为调压井断面面积。

动量方程：

式中：g为当地重力加速度；Ht为调压井所在节点i的水头；ζ为调压井阻抗孔面积；ft为调压井阻抗孔阻抗；Dt为调压井沿程水力损失系数；为调压井井身直径；最后一项是调压井水位变化引起的附加水头损失。

1.3 空气罐数学模型

空气罐用短管连到主管道上，当水泵正常工作时，主管道内的水压力使罐内的空气压缩，由于空气比水轻，故上层为空气，下层为水，水气自然分离。一旦水泵突然停止，当管道中的压力降低时，罐内空气迅速膨胀，下层水在空气压力作用下迅速补充给主管道，从而防止管中压力下降过大或防止产生水柱分离。当水锤波反射传回，管道中的压力上升时，主管中的高压水倒流到空气罐中，使管道中的空气压缩，从而减小主管中的压力升高。

对空气压力罐内空气按等温绝热过程考虑，则有[6]：

式中，∀i为△t时段初的空气体积；Qp3为△t时段开始时向罐内补水的流量；Q3为△t时段末向罐内补水的流量；n为气体膨胀多变指数，对等温过程n=1.0，对绝热过程n=1.4。对目前较为常见的囊式空气罐，当充入氮气时，可按绝热过程处理，取n=1.4。

图2 空气罐结构示意图

向罐内补水的流量Q3与连接短管两端的压差有关，对连接短管3中的水体，不考虑弹性影响，可有如下的刚性水体运动方程：

式中，F1和F2是加在管段前后的压力，Ff是作用在流体上的摩擦力。

2 弓背形高扬程泵站负压水锤防护

2.1 弓背形高扬程泵站负压水锤

陕北某泵站共布置3台（2工1备）D550-50-6型多级离心泵。单泵设计流量0.135 m3/s，设计扬程274 m。水泵与电机总的转动惯量取20 kgm2。出水管道为DN400钢管，长约3.7 km，糙率0.012。如图3所示，出水管道呈典型的弓背形。

这种弓背形高扬程泵站，若系统无任何防护措施，断电引起的负压比较严重（见图3），爬坡膝部和下游的管道最小水头远低于管道轴线，几乎都处于汽化状态。系统的水锤源并不在泵站处，更多的在管道节点，所以调整泵后阀门的关闭规律并不会对负压起作用，如表1所示。

图3 出水管道轴线及水头包络线（无防护）

表1 不同关阀规律压力极值统计

2.2 不同方案水锤防护效果对比

负压水锤防护一般从以下几个途径着手：注入水，如设置调压井、空气罐等，注入空气，如安装复合式空气阀、注气微排阀等进行稳压，控制系统压力振荡，从而防止出现真空和再弥合水锤的更大危害；泄水降压，避免水柱弥合引起的压力陡升，如安装防爆膜、水锤消除器，设置旁通管等措施；减缓流速变化，如增大机组转动惯量等[7～10]。

针对上述泵站，采用不同设备进行负压水锤防护。其中，方案一、二在管线上分别设置复合式空气阀和注气微排阀，其安装位置、进气孔径相同；方案三在方案二的基础上增大机组转动惯量至150 kgm2；方案四在出水母管起端设置普通双向调压井；方案五在泵站内出水母管上设置一10 m3空气罐。

不同防护方案计算结果如图4所示。左侧为最大压力包络线，除复合式空气阀由于排气速度过快引起较严重弥合水锤外，其他方案最大压力在数值上差距并不大。右侧为最小压力包络线，复合式空气阀由于排气快，对管道内负压完全没有作用；注气微排阀可短时间将吸入的空气留存于管道内，效果较复合式稍有改善，但由于管线几乎都处于汽化状态，依然无法有效解决线上负压问题；增大机组转动惯量与注气微排阀相结合，可大幅度降低管线负压；调压井和空气罐效果最为理想，均可以完全消除负压。

分析发现，对于这种典型的弓背形高扬程泵站，无论是复合式空气阀、注气微排阀或者单向调压井，只能解决点上的问题，并不能从根本上消除弥合水锤隐患；大幅增大机组转动惯量可以从根本上降低负压，但会导致主厂房尺寸增大，且增大电机负荷，一般情况下不太采用；普通的双向调压井可以很好的解决正负压问题，但高度比较高，工程实践困难，投资大；空气罐容积小、可靠性高，可有效降低负压，进一步消除弥合水锤。

图4 出水管道最大、最小压力包络线（不同防护方案）

3 结论

本文针对弓背形高扬程泵站普遍存在的负压问题进行了计算分析，研究探讨了不同设备的水锤防护效果，主要有以下结论：

（1）弓背形高扬程泵站事故断电后常在膝部及下游整个管道产生严重负压，由于管线走势复杂，水锤源较多且不在泵站，所以泵后缓闭阀的关闭对这种系统中的负压现象无任何作用；

（2）空气阀只能解决点上负压，不能解决线上负压问题；大幅增大机组转动惯量、设置调压井固然可以降低负压，但工程实践性较差；空气罐可有效消除负压及可能引起的弥合水锤，且容积小，易于管理，工程上可结合空气阀、水击泄放阀等作为此类泵站较为理想的水锤防护方案。

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Study on Protection of Negative Pressure Water Hammer in Arch Shaped High-lift Pump Station

Bai Mianmian,Zhao Juan,Li Yiliang
（Shaanxi Provincial Water Conservancyand Power Surveyand Design Institute Xi'an 710001,Shaanxi）

The article is based on interruption of power supply at accident and study howto protect the negative pressure water hammer ofthe arch shaped high-lift pump station.Atypical pumpingstation in northern Shaanxi is used as the object,the hydraulic transition calculation is carried out by the characteristic line method.Analysis and comparison of pressure envelops of the slowclosing valve behind the setting pump,air valve,surge shaft,air tank and increasing the running inertia of the unit and other method,the results showthat the slowclosing valve behind the pump and the air valve almost does not work of negative pressure on pipes ofthe water hammer source not in the pump station.Compared tothe more limited surge wells and unit inertia, theair tank is moreflexibleand economicaltoeliminateofthepipenegativepressureand maycausethewater hammer tomelt.

The water hammer,air valve,surge well and air tank

TV675

B

1673-9000（2017）04-0057-03

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白绵绵（1986-），女，陕西渭南人，注册公用设备工程师，硕士，主要从事供水工程设计和水力过渡过程研究。