高压输水系统泵后液控缓闭阀开关速度探讨

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 引 言

大伙房水库输水(二期)工程是解决辽宁省中南部地区水资源短缺的重大输配水工程，全长261km，全线密闭有压，采用重力流和泵组加压相结合的输水方式，为沿线抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等地区供水。由于工程输水线路的不断延伸，水流至鞍山时重力水头已不能满足下游的正常输水，因此，在鞍山建立了加压泵站，保证下游供水。

鞍山加压泵站共设两座泵房，其中鞍山分支泵房共设3台变频泵组，两主一备。为控制泵组启停过程产生的水锤影响，泵出口检修阀前加设了液控缓闭阀(见图1)。由于大伙房水库输水系统全线密闭且无任何调蓄设施，液控缓闭阀的设置，不仅有效防护了水击对设备的损坏，同时也保护了整个输水系统安全。

图1 鞍山分支泵组及液控缓闭阀工艺布置

液控缓闭阀的关闭采用折线关阀规律[3]，分为快、慢两个阶段。折线关阀不能减小最大水锤，但在一定程度上可提高输水系统的动作响应速度。合理有效设置液控缓闭阀开关时间是防止水锤产生的关键，而折线关阀时其折点和直线段斜率的选择决定了最终的关阀时间。

2 液控缓闭阀开关速度影响因素

当执行泵组停供调度或因事故泵组突然掉电等出现停机时，鞍山分支泵后液控缓闭阀关阀速度应主要考虑关阀引起的泵前干线水锤、泵组的加压水平与供水流量的大小、干线稳压塔对水击的消减作用、管网的管长及管径参数等因素。

2.1 管道内水击压力升值

2.1.1 直接水击(完全水击)

当t

Δp=ρc(v0-v1)

式中：t为换向时间，即阀门关闭或开启的时间,s；T=2L/c，即当管道长为L时，水击波往返所需的时间,s；Δp为管内水击压力最大升值,m；ρ为水的密度,kg/m3；c为水击波速,m/s；v0为初始断面流速,m/s；v1为关阀断面流速,m/s。

2.1.2 间接水击(非完全水击)

当t>T时，管道内水击为间接水击，管内水击压力最大升值为

Δp=ρc(v0-v1)T/t

式中各符号意义同上。

2.2 关阀引起的干线水锤

当执行停泵调度或事故停泵时，液控缓闭阀关阀引起干线水锤，水击波速c取值1480m/s；v0(m/s)为初始泵后断面流速；v1(m/s)为开始关阀泵后断面流速。

在长距离输水工程中，关阀过程管道出现线路充填，直接水击大小与关阀时间密切相关，关阀时间越短，系统产生的水锤压力越大；最大水锤压力滞后于关阀结束时刻，滞后时间与关阀时间存在联系。间接水击时，更容易产生线路充填，而且关阀时间越短，线路充填所占的比例越大；当关阀时间大于某一数值时，间接水锤压力值可能超过直接水锤。

2.3 干线稳压塔对水击的消减

稳压塔对长距离输水管线的水击有着消减作用，在水击的传播过程中，阀门的关闭速度不仅需要考虑水流流速的变化，还需注意调压塔对水击的消减影响。稳压塔与阀门越近，阀门管段的压力越小，由此产生的振荡幅度也越小。当稳压塔的距离一定时，阀门的开关速度对水击强度有显著影响。

2.4 泵组加压水平与供水流量

鞍山分支泵后支线管段边界参数：管线长L=12500m，管径D=1.40m，鞍山支线水厂稳压溢流井水位为37.40m，鞍山分支泵房泵后当地高程为8.62m。

鞍山支线供水流量与供水保证水头关系式为

(H-37.4)=6.91Q2

式中：Q为鞍山支线供水流量,m3/s；H为供水保证水头，亦即泵组加压运行时泵后水头,m。当鞍山支线达到设计供水量15万m3/d(即1.74m3/s)时，支线供水保证水头至少为57.2m。

2.5 管网参数

2.5.1 管线长度对水击的影响

管道的长度主要对管道中的水击波来回传播的总时长有很大的影响，从而也对水击波的周期变化有一定影响。随着管线长度的增加，管道的最大水击压力下降。对于水击波的周期而言，管道长度越长，水击波的周期也相应变长，而且与此同时关阀的时间不断减少，这样就使得间接水击向直接水击靠近。在长输管线中，可以通过慢关阀门减小水击压力[6]。

2.5.2 管径对水击的影响

在流量不变的情况下，管径主要会对管道中水体的流速产生影响。通常情况下，管径越大，流速越小；反之则越大。管道管径对减少关阀引起的水击压力有较为明显的作用。

3 工程实例水力过渡分析

实例事件过程：2017年1月26日，鞍山分支泵组运行过程中，突然出现变频器断电停机事故，当时鞍山分支3号泵单泵加压运行，泵前水头为30.60m，泵后水头为46.15m，转速为490r/min，支线供水流量为1.50m3/s。

停泵关阀期间干线及泵后压力曲线如图2所示。鞍山支线流量(Q鞍支)、泵后压力(p泵出)及干线压力(距离鞍山支线泵组最近干线6号稳压塔高程)变化情况如表1所列。

图2 停泵关阀过程泵出口、6号塔压力随时间变化曲线

由图2可以看出：16时3分3号泵组转速直线下降，16时4分泵后压力降至最低，此时泵组停机；由于关阀引起的压力波迅速在干线传播，30s后6号稳压塔水位显著上升；在16时4分至16时6分之间，干线压力持续升高，期间增幅最大；在泵组完全停机之后，旁路阀门开启，泵后压力与干线6号稳压塔压力同步上升，在16时11分趋于平稳，6号稳压塔压力升至最大35.90m。

表1 停泵关阀期间Q鞍支、p泵出、H6号变化情况

续表

从表1数据可以看出： 在分支泵组掉电过程中，6号稳压水位随着鞍山支线供水流量的减小，由29.86m上升至35.92m，历时约8min；与之相对，当3号泵组出现掉电时，泵后出口压力由初始的47.20m瞬间下降至最低28.95m，最终在6号塔及鞍山支线旁路重力流的联合补水下达到一个压力平衡35.9m。

事实表明，液控缓闭阀的关阀不宜过早，否则不利于干线通过6号塔的补水平压。考虑到鞍山老虎山水厂稳压溢流井水位37.40m及6号稳压塔运行低水位30m水平，加之液控缓闭阀慢关大大减缓干线水锤，蝶阀的快关效益低于慢关。

另外需要注意的是，当泵组加压达到某一水位时，泵组突然掉电泵后水头可能会骤降至8.62m以下，此时将导致管段出现局部负压或者断流，应综合考虑干线水锤及泵后断流弥合水锤，重新调整关阀速度。

4 鞍山分支泵后液控缓闭阀关阀推荐速度

综合理论计算和实际水力过渡分析，在鞍山支线的供水量不大于设计供水量时，液控缓闭阀宜按照0.38m3/(s·min)的速度设置开关总时长，其中关阀时以30%时长快关70%阀门开度，70%时长慢关30%阀门开度，避开关阀水锤对干线的不利影响。若当前供水流量为Q，则此时泵后液控缓闭阀开关时间为Q/0.38min。鞍山分支泵组泵后液控缓闭阀关阀时间见表2。

表2 鞍山分支泵组泵后液控缓闭阀关阀时间

注关阀时间的起始时间为停泵瞬间。

5 结 论

液控缓闭阀作为预防和缓减管道水锤的重要水力部件，在密闭有压管道工程中被广泛应用。合理有效设置液控缓闭阀的开关时限，是防止水锤的关键。通过水击波的理论计算并结合实际工况分析认为，加压泵组之后液控缓闭阀的开关时限的设置须综合考虑管线内水击压力的最大升值、泵组的加压水平、供水流量的大小、干线的稳压设施、输水管线的工艺参数等因素。在一定范围内，液控缓闭阀的开关时间可按与流量成线性关系进行处理。