长距离输水工程停泵水锤防护措施研究

朱 付,叶 永

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

我国是一个水资源相对匮乏又分布严重不均衡的国家，未来的城市化发展和工农业发展会越来越重视对于水资源的合理调配。随着南水北调、引汉济渭等一系列大型引调水工程的顺利进行，我国将会实施越来越多的用于优化水资源配置的工程。其中，长距离有压输水方式目前运用最为广泛。但在有压输水系统中，泵站发生停电事故时，由于水泵的突然关闭，在输水系统内会产生超过规范要求的正压和负压，可能会对管线系统造成不可逆的损坏，从而严重影响工程的使用寿命。如利比亚大人工河工程，迄今为止，已经出现多次的爆管事故，造成了严重影响[1]。因此，分析长距离输水系统停泵水力过渡过程、提出合理的水锤防护措施是十分必要的。

目前水锤计算方法有图解法、解析法和电算法。其中，电算法的基础是运动方程和连续性方程，利用计算机克服积分难题，通过有限差分法求积分的数值。特征线法和波特性法是电算法最常用的方法。特征线法[2]运用较为广泛，该法有明确的物理概念，可以计算复杂的边界条件，可以满足数值计算解。本文结合实际工程，基于Bentley Hammer软件对长距离输水管道瞬态水锤进行分析计算，并提出精确合理的水锤防护方案，以保障工程运行期的安全。

1 工程概况

某提水泵站项目，全程并排布置两条输水管线，单条管线全长4 867 m，管道起始端高程为20.38 m，管道末端高程为54.6 m。泵站采用两机一管，压力管道输水，地下埋管方式铺设。选用4台型号为CS500-710的单级双吸卧式中开泵，其主要技术参数为：设计流量Q=1 m3/s；设计扬程H=52 m；转速n=980 rpm。输水管材为DN1200的预应力钢筒混凝土管(PCCP)，管壁厚度为100 mm，设计压力为0.8 MPa，其主要技术参数见表1。

表1 PCCP管道技术参数

2 水锤计算重要参数

在水锤过程的分析与计算中，波速是一个非常重要的参数。它的大小与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关。由水流的连续方程并考虑水体和管壁的弹性后，可导出水锤波的传播速度为：

PCCP管是一种复合型管材，其管壁材料的纵向弹性模量可参考复合材料力学性能的复合规律求出近似值[3]，管道各材料的弹性模量为E1、E2、E3、E4，V1、V2、V3、V4为各材料占复合材料体积的百分比。它们之间的关系为：

E=E1V1+E2V2+E3V3+E4V4

求得水锤波的传播速度近似值为1 074.52 m/s。

3 停泵水锤模拟及防护

3.1 无防护措施停泵水锤模型

使用Bentley Hammer软件设置好计算模型，首先进行管网平差计算，其结果见图1。假设此时管线系统无任何水锤防护措施，水泵不允许倒转。泵站在正常运行情况下，突然发生停电事故，水泵机组断电，其事故停泵管线压力包络线见图2。从图2中可以看出，管线最大正压为1.387 MPa，最大负压为0.098 MPa。而且在管道节点J6处会出现大体积空腔，造成液柱分离，形成负压，从而在此处形成较大的断流弥合水锤[4]。

图1 管网平差计算结果

图2 事故停泵管线压力包络线

一方面液柱分离造成的负压可能使管道失稳变形(压瘪)，另一方面断流弥合水锤造成的高压可能击破管道。断流空腔弥合水锤过程中的液柱分离及弥合水锤，对长距离输水管线工程和其他各种工业管道工程的危害是巨大的，所以有必要对管线采取一定的水锤防护措施。

根据相关规范和技术规程要求，事故停泵瞬态特性参数应满足以下要求：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2 min；最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；输水系统任何部位不应出现水柱断裂；水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力[5-6]。

3.2 有防护措施停泵水锤模型

在实际工程中，单向调压塔、空气阀和泵后液控止回蝶阀联合作用的水锤防护措施是最常见的[7]。而且，对于水锤的防护均有很好的效果，其各自的优点为：单向调压塔能有效地消除管道内空腔，避免出现断流弥合水锤；空气阀可以明显降低管道内负压；泵后液控止回蝶阀可以有效降低管道内的正压，且结构简单，造价低。

3.2.1 设置泵后液控止回蝶阀

虽然在泵后设置止回阀(作用是不允许水泵倒转)可以有效保护水泵及厂房，但当出现事故停泵时，管线内水锤压力会大大超过管道的设计承压能力。在规范允许的情况下，水泵是允许倒转的，所以可以在泵后设置两阶段关闭的液控止回蝶阀。不同关阀规律条件下，管线内部的事故停泵水锤压力见表2。

表2 不同关阀规律水力过渡计算结果

由表2可知，当泵后阀门总的关阀时间越长时，水泵的倒转转速会越来越大，但对管道最大负压的大小几乎没有影响。而管道内产生的最大正压在一定关阀时间范围内随关阀时间的增加而减小，超过一定的时间范围之后，增加关阀时间对管道最大正压的减小不仅效果不明显，而且会增加水泵的倒转转速，对水泵造成不利的影响。比较可知，方案四0～60 s快关70%、60～120 s慢关30%是最经济合理的方式。在采用方案四的情况下，事故停泵管线压力包络线见图3。

图3 事故停泵管线压力包络线

3.2.2 设置单向调压塔

采用一定关阀规律的泵后液控止回蝶阀能在一定程度上降低最大水锤压力，但对管线的改善效果十分有限(图3)，管线最大水锤压力明显降低，但在节点J6处产生的空腔体积并没有降低。为了进一步改善节点J6处的情况，结合大量理论研究和工程实践，可以在J6处设置一个单向调压塔。单向调压塔联合泵后液控止回蝶阀两阶段关闭，水锤模拟结果见图4和图5。由图4和图5可知，在使用单向调压塔后，节点J6处的空腔消失，而且管线内的最大水锤压力降至0.52 MPa。同时，水泵的最大倒转转速为529 rpm，符合规范的要求。但是管线内仍然存在较大负压，需要进一步采取水锤防护措施。

3.2.3 空气阀的应用

空气阀能有效降低管线内出现的负压，依据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)，当出水管线路较长时，应在管线隆起处设置排(补)气阀，其数量和直径应经过计算确定。当管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 m左右设置一处通气设施。本工程中管线布置平缓，且无隆起部位。空气阀布置方案见表3。通过软件模拟计算，各方案计算结果见表4。

图4 事故停泵管线空气/蒸汽容积

图5 事故停泵管线压力包络线

表3 空气阀及单向调压塔布置方案

表4 空气阀及单向调压塔布置方案计算结果

由表4分析可知，方案三和方案四均可作为事故停泵水锤防护措施，但方案四比方案三增加一个空气阀，且桩号K3+300～K3+900处的空气阀布置过密。从安全和经济的角度考虑，选择方案三作为本工程的水锤防护措施。

综上，管线上布置4个空气阀和2个单向调压塔，并配合泵后液控止回蝶阀两阶段关闭，能有效降低事故停泵水锤的影响。

4 结 论

1) 利用Bentley Hammer软件，对长距离的复杂管线系统进行模拟，分析其水力过渡过程，可以高效、经济地帮助工程人员了解管线系统，从而设计更安全的水锤防护措施。

2) 泵站由于发生事故停泵，会产生破坏性水锤。在泵后设置两阶段关闭阀门不仅可以有效降低管线的水锤压力，还可以降低水泵倒转转速，从而更好地保护水泵机组的安全运行。

3) 单向调压塔对事故停泵后管道内出现的气穴具有很好的防护作用。

4) 空气阀可以有效降低管线系统由于事故停泵产生的负压。

5) 在两阶段关闭泵后液控止回蝶阀的基础上设置单向调压塔和空气阀，能有效消除事故停泵后管线内的液柱分离再弥合现象，使管线内的最大水锤压力均满足规范要求，具有很好的水锤防护效果。