空气罐与单向塔联合水锤防护在有压输水工程中的应用

庞宇 杨诚志

摘 要：有压输水管路多因启停泵或事故停泵而产生水锤事故，为确保整个输水系统安全稳定运行，需要从整体上对管路进行水力过渡过程计算，分析其水力特性，然后提出合理的防护措施。基于特征线法和水锤计算基本方程，本文针对某提水工程建立数值模型并进行软件建模，进行恒定流与非恒定流计算。分析发现，本工程采用沿管线布置空气罐与单向塔联合水锤防护的措施，可以很好地实现水锤防护。

关键词：水锤防护;空气罐;单向塔;特征线法;数值模拟

中图分类号：TU991.39文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0088-03

Abstract： The pressurized water pipeline is mostly caused by water hammer accidents due to pump start and stop or accidental pump stop， in order to ensure the safe and stable operation of the entire water delivery system， people need to calculate the hydraulic transition process of the pipeline as a whole， analyze its hydraulic characteristics， and then propose reasonable protective measures. Based on the characteristic line method and the basic equations of water hammer calculation， this paper established a numerical model and software modeling for a certain water pumping project to calculate constant flow and unsteady flow. The analysis found that this project adopts the combined water hammer protection measures of air tanks and one-way towers arranged along the pipeline， which can achieve water hammer protection well.

Keywords： water hammer protection;air tank;one-way tower;characteristic line method;numerical simulation

为进一步解决供水平衡问题，我国持续开展有压输水管路系统工程建设。在建设过程中，最常见的危险来自管路水锤，因此采取合适的水锤防护措施是保障整个工程安全运行的关键[1]。胡建永等[2]采用合理布置空气阀的方式进行水锤安全防护;张健等[3]在确保管道运行不出现负压的前提下，构建了单向塔布置的理论分析和数值优化总体框架，为单向塔在长输水管道工程的合理布置提供了参考;李琨等[4]将空气罐的直径作为变量，模拟不同体积下的空气罐对水锤防护效果的影响，发现将液控蝶阀、空气阀和空气罐进行联合防护时，水锤防护效果最佳;刘有亮等[5]在对超高扬程及长距离泵站进行停泵水锤分析时，通过软件模拟分析计算发现，采用液控止回偏心半球阀、空气阀、压力波动预止阀等防护设备，能有效消除事故停泵时管线负压和降低水锤升压。但在实际设计过程中，针对具体工程特点，人们需要进行具体分析，采取合理的防护措施。

1 基本理论

1.1 有压管道恒定流数学模型

某输水线路主要由铸铁管组成，输水形式为泵站加压输水，水头损失主要为沿程水头损失。恒定流计算采用有压管道恒定流基本方程——伯努利能量方程开展，控制方程如下：

式中：[Δt]为计算时间步长;[ΔL]为特征线网格管段长度;[k]为特征线网格管段数;[R]为水头损失系数;[a]为水锤波速;[A]为管道面积;其他符号意义同前。

水力过渡过程计算一般从初始稳定动行状态开始，即取此时[t]=0，当[t-kΔt<0]时，取[t-kΔt=0]作为初始时刻，式（2）、式（3）均只有两个未知数，将其分别与A、B节点的边界条件联列计算，即可求得A、B节点的瞬态参数。

2 工程概况及数值模拟分析

该有压输水工程由进水池、取水泵站、供水管道以及出水池组成，采用1根公称直径为2 200 mm的铸铁管，管中心线高程介于1 856～1 957 m，如图1所示。设计供水流量为21 960 m3/h。泵站安装4台卧式单级双吸离心泵，其中，4台工作，0台备用。水泵设计扬程为114.80 m，单泵设计流量为5 490 m3/h。

2.1 四机稳态工况计算

在四机设计扬程运行工况下，本研究对该工程输水线路开展恒定流计算，得到测压管水头，如图2、图3所示。该输水线路的输水流量为21 960 m3/h?。管线无负压出现，满足运行要求。

2.2 四機瞬态工况计算

下面根据输水线路供水系统图和线路布置图，针对设计扬程无调压措施情况下4台水泵同时事故停机的工况，开展水力过渡过程计算分析。无措施事故停机管线内水压力水头包络线如图4所示，无措施事故停机管线测压管水头包络线如图5所示。从结果可以看出，在设计扬程4台水泵同时事故停机的工况下，输水线路出现较严重负压，压力水头最小值出现在桩号4813.28处，为-79.73 m;内水压力水头最大值出现在水泵出口处，为215.53 m，高于最大内水压力水头控制值161 m;管线最大测压管水头出现在水泵出口处，为2 072.03 m，管线最小水头出现在桩号4 135.97处，为1 872.22 m。水泵不发生反转。但沿线最大压力和最小压力都产生较大的负压。根据《泵站设计规范》（GB/T 50265—2010）、《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）等相关标准规范，事故停泵过程中，管道系统中瞬时最大压力不应大于工作压力的1.3～1.5倍，管线沿线最小压力水头不低于2 m，反转转速不能超过额定转速的1.2倍，且超过额定转速的持续时间不超过2 min，因此不满足规范要求，其需要增设水锤防护措施。

3 空气罐单向塔联合防护方案

对于长输水系统，空气罐的作用是当管道中出现负压时，空气罐中的水体向管道中补水来抑制管线沿线负压，并通过空气罐中的高压气体抑制水体倒流而产生的高压。单向调压塔可以有效对管线进行水锤防护。当管线内压力降低至一定值时，单向调压塔可以给管道补水，防止产生负压而形成水柱分离。

经大量优化计算分析，推荐本工程采用如下单向调压塔水锤防护方案。首先，设置空气罐1个，设置位置为桩号0处，罐体直径为3.0 m，高为5.0 m，正常运行时水气比为3∶2，总体积为35.325 m3，底部连接管直径为0.45 m。其次，设置单向调压塔3个，其中，1#单向塔设置在桩号2025.97处，罐体直径为3.0 m，水位高度为9 m，体积为63.585 m3，连接管直径为1.2 m;2#单向塔设置在桩号2460.2处，罐体直径为4.0 m，水位高度为12 m，体积为150.72 m3，连接管直径为1.0 m;3#单向塔设置在桩号4813.29处，罐体直径为4.0 m，水位高度为8 m，体积为100.48 m3，连接管直径为1.0 m。最后，泵出口阀门选用止回阀，四机运行同时事故停机和单机运行事故停机后快速关闭。具体计算结果如图6、图7所示。

从计算结果得出，在设计扬程四台水泵同时事故停机的工况下，沿线最大内水压力水头出现在桩号1058.14处，为158.53 m，小于最大内水压力控制值161 m;沿线最小内水压力水头出现在桩号4776.85处，最小内水压力为2.11 m，高于最小内水压力控制值2 m;管线最大测压管水头出现在桩号290.16处，为2 018.40 m，管线最小测压管水头出现在水泵出口处，为1 892.65 m。水泵不发生反转，满足管线运行要求。

4 结论

针对本工程四机运行工况，本研究选取了設计扬程作为典型工况进行恒定流计算分析。四机并联运行时，设计扬程工况无负压出现，满足管线运行要求。在无调压措施下四机运行同时事故停机时，管线出现负压，沿线最大压力和最小压力不满足规范要求，其需要增设水锤防护措施。针对本工程的特点，本文开展了空气罐单向塔联合防护方案的计算优化分析，得到较理想的水锤防护效果，沿线最小压力、最大压力和水泵反转转速均满足管线运行要求。

参考文献：

[1]孙一鸣，吴建华，李琨，等.有压输水系统的水锤防护研究[J].人民黄河，2021（1）：152-155.

[2]胡建永，张健，索丽生.长距离输水工程中空气阀的进排气特性研究[J].水利学报，2007（1）：340-345.

[3]张健，索丽生，胡建永，等.长距离供水工程单向塔设置分析[J].水力发电学报，2011（1）：49-56.

[4]李琨，吴建华，刘亚明，等.空气罐对泵站水锤的防护效果研究[J].人民长江，2020（2）：200-204.

[5]刘有亮，胡斌超.超高扬程及长距离泵站水锤分析及防护设置[J].中国农村水利水电，2020（11）：112-117.