水锤现象对泵站和输水管道的影响与防护——以万家寨引黄工程为例

王从余

（山西万家寨水控水资源有限公司）

在抽水装置中，经常会发生水锤现象，主要原因有：机组启动和停车、水泵转速调节、阀门启闭和事故失电停泵等，其中对水泵安全运行影响最大的是事故失电停泵形成的水锤。上世纪60年代，很少出现水锤对泵站构成威胁的现象，主要原因为这个时期的泵站流量较小，扬程较低，管路的安全储备大。近30 a 来，我国兴建了大量扬程高、流量大和管路长的泵站，水泵机组逐渐发展为大型、高压和高速化，事故失电停泵引起的水锤对泵站安全的威胁大幅增加。因此，当前在泵站工程设计中要尤其注意停泵水锤分析，并设计有效的防护措施。本文以万家寨引黄工程泵站为例进行了分析，以期为我省水泵工程设计提供一定的理论支持。

1 工程基本情况

山西省万家寨引黄工程是山西省有史以来最大的水利工程，可有效解决我省太原、大同和朔州等三市的工业及生活用水。该工程线路总长达452.4 km，目前我国5 座最大的水泵站均建设在该工程，总扬程达636 m。另外，该5 座泵站还装设有目前国内44 台最大的水泵电动机组。

2 供水输水管道水锤研究思路

首先，针对水锤进行详细计算，系统掌握供水输水管道系统管路压力的变动情况；其次，围绕关闭水阀以及所产生的水锤问题展开系统的探究，明确系统水泵总值，提出阀门关闭方案；最后制定水锤维护方案。

3 水锤分析与计算

3.1 技术供水基本技术参数

流速为0.2 m3/s，进水和出水水位差340 m，出水管轴心标高350 m。在泵站当中加装的离心泵台数共计三个，其中有两台属于正常运行的状态，另外一台水泵处于备用状态，每小时供水量60 m3，总里程50 m。水泵既定里程在48 m 左右，每小时既定水流量维持在200 m3左右。

3.2 水锤波传播速度

钢筋混凝土管体积弹性系数230 kg/m3，弹性模数超过2 100 Pa，水锤波速理论如下公式：

式中：K 为体积弹性系数，m3，E 为弹性，模数，Pa，ρ 为水的密度。

由式（1）计算得到，钢筋混凝土管水锤波速为600 m/s。

3.3 管道摩阻系数

假定管道处于正常运行的状态，由下式计算摩阻系数

式中：l 为管道的长度，m，d 为管道直径，mm，v 为界面的流速均值，m3/s，g 为重力加速度，m/s2，λ 为摩擦力、阻力系数，N。

该工程所用钢筋混凝土管道管径为600 mm，由式（2）计算得到摩阻系数：单管流量为0.194 7 m3/s时，管径600 mm 的沿程水头损失为0.615 m/km。

3.4 水锤计算与分析

水锤所代表的是管道流速变动所形成的压力层面的变动，由下式计算

式中：ΔH 为压力变化，Pa；ΔV 为水流速度变化，m/s，取值250 m/s～500 m/s；C 为波速，m/s，取值600 m/s，g 为重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2。

通过上述公式可以看出：在水流速度变化幅度相同的情况下，增大水锤波速，水锤随之增大，即压力变化幅度变大。但在工程实际中，实际压力波要小于计算的理论值，这可能是由于管道弹性的不同造成的。本文通过以下方案研究管道产生的水锤现象，首先，固定缓冲排气阀闭合流速；其次，通过改变缓闭止回阀的关阀时间，分析该管道产生的水锤现象。水泵缓冲闭合流速分0.3 m/s 和0.5 m/s 两种工况；缓闭止回阀分快关和全关两种工况，其中，快关分10 s 和20 s 两种情景，全关分120 s、180 s、360 s 三种情景。经过计算与观测，参照同类泵站相关技术数据，查阅该时间点管中心桩线最高包络图和最低包络图相关数据，得到表1。

表1 各时间点管中心桩线最高包络图和最低包络图相关数据 单位：Pa

从表1 可以看出，在缓冲闭合流速在0.3 m/s 和0.5 m/s 两种工况下，突然停泵时管路前段升压都比较大，通过调整缓闭止回阀的关阀时间效果并不明显。经过比选，在缓闭止回阀关阀时间为快关20 s、全关360 s，缓冲闭合流速为0.5 m/s 的工况下，升压值相对较小，最高为652 m/s，最低为340 m/s。

4 水锤防护方案

有效削减水锤压力上升的方式主要有以下两种：第一种方式是确保排气阀的整体性能有效落实排气。第二种方式是将管道中的压力维持在既定的范畴之中。从安全性以及经济性方面考虑，有必要在水泵出口处加装双向调节压力设备，尽可能削减管道当中的压力，在调压设备的作用下能够在较短的时间内完成管道补水任务，有效降低管道负压形成的可能性，有效缓和水锤升压。管路中水锤压力不断上升时，可以将高压水流作用到调压塔里面。

5 结论

（1）调整缓冲闭合流速及缓闭以回阀关阀时间对减缓水锤波速效果并不明显。（2）借助回阀关闭时间进行调节无法对水锤压力实施系统的管控，因此，有必要在水泵出口加装相应的调压设备，每隔一段距离加装相应的排气阀，可对水锤升压进行系统地管控，确保管道运行是建立在安全性原则的基础之上。