水锤防护措施在高扬程光伏提灌系统中的应用*——以九寨沟县保华乡半山村太阳能提水泵站为例

廖功磊 张绍辉 余欣¤ 罗利学 林玉东付川

1.四川省机械研究设计院（集团）有限公司，四川成都

2.四川省丘区山区智能农机装备创新中心，四川德阳

3.四川农业工程学会，四川成都

4.资阳市雁江区雁江镇产业发展服务中心，四川资阳

1 概述

九寨沟县保华乡半山村太阳能提灌泵站，主要以S301省道旁山溪沟的山泉水为提灌水源，通过提灌站及供水管道向半山村高位水池供水，以解决半山村人畜饮水问题。工程主要由提灌站、输水管道、新建水池（低位）、原有蓄水池（高位）、光伏阵列等组成。如图1所示。

本文采用Bentley Hammer V8i 对泵站管路系统进行建模及水锤分析，并采用相应的防水锤措施，以便使管路系统更加安全、经济、可靠。

图1 半山村提灌站管道平面布置示意图

2 模型构建

提灌站采用二级提水，提灌设计流量为5 m3/h。其中，一级泵静扬程为25 m，二级泵静扬程为338 m。一级泵输水管线长80 m，二级泵输水管线长2 120 m。所有管径均为Φ57 mm×4 mm，管材选用无缝钢管，作防腐处理。

一级潜水泵设计流量为5 m3/h，设计扬程为36 m，配套电机功率为1.1 kW。二级离心泵设计流量为5 m3/h，设计扬程为400 m，配套电机功率为15.0 kW。

根据实际管道布置，为简化计算，除在管道转弯处设置计算节点外，直线管道段长度每150 m设计一个计算节点。

进水池、一级泵站、二级泵站、阀门、出水池及管道各节点按测绘标高如图2所示。

图2 管道中心标高及水力坡度线

3 水锤及危害

在有压管道系统中，由于人为或事故等因素对管道上的泵或阀门进行操作，短时间内引起道内流速的急速变化，由于水流惯性作用，致使管道内流体压力也相应地急剧升高或降低，并在管道内传播的现象称为水锤现象。在没有考虑正确的防护措施情况下，实际工程中，水锤现象会造成很大的危害——管道破裂或塌瘪、管道各设备损坏等。

水锤一般分为启泵水锤、关阀水锤和停泵水锤三种，而停泵水锤是三种水锤中危害最大的一种。本文以分析停泵水锤为主，并制定相应的水锤防护措施，以确保管道设备安全运行。水泵突然断电或事故停泵后，管道内流量和压力急速下降。当管内流体压力降至汽化压力而在管道中的某些截面发生水柱分离现象，水中气体析出，造成管道气蚀，或因管道内负压过大，造成管道塌瘪。当分离水柱再次弥合时，将产生更大的弥合水锤，对管壁造成更大的冲压力。

4 正常工况分析

为检验管道布置的合理性，首先分析管道正常运行条件下的水力坡度是否合理，此时，管道不包括启动、开阀、停泵或关阀等操作。

管道纵坡随地形因素基本上成右上升曲线，J-44至J-45 段高于出水口，由于管道不允许从田间穿越，只能随公路沿线布置，故不能修改。此处管道标高比出水口高，除会增加供水压力外，还可能产生弥合水锤。

正常运行工况下，管道内既无空气也没有负压产生，管道最大正常工作压力为5.0 MPa，如图3所示。

图3 管道正常工况水力坡度线

5 停泵水锤分析

供水管道发生最大的水锤破坏工况主要是由停泵造成的，因此，分别对单台泵停泵以及全部泵同时停泵进行分析。

5.1 一级潜水泵停泵水锤分析

本工况为一级潜水泵在正常运行后2 s 发生停泵事故，此时二级水泵仍正常运行。一级潜水泵停泵后，管道运行压力曲线（蓝色）下降，二级离心泵后无空气聚积，泵后也无水锤发生，如图4所示。

由于一级泵二级泵高程差约25 m，高于泵房处的大气压力，一级潜水泵停泵后，其下游管道处无压力状态，流量从正常的5 m3/h 下降至0。由于一级潜水泵停泵断流，二级离心泵空转无法继续向山顶水池供水，如图5所示。

5.2 二级离心泵停泵水锤分析

离心泵停泵后，由于管道压力下降至山顶节点J-45至J-46 高程以下，此处山顶管道因出现负压而产生弥合水锤，如图6所示。

由于管道压力低于山顶水池高程，管道流量为零，管道压力在不到10 s 短时振荡后逐渐趋于1 438.7 m，如图7所示。

图4 潜水泵停泵管道工况水力坡度线

图5 潜水泵停泵后潜泵处的工况

离心泵处的流量在短时（不足10 s）的弥合振荡后，最终趋近于零，如图8所示。

5.3 一级和二级泵同时停泵水锤分析

双泵同时停泵后，在山顶管道段J-45 至J-46 处出现断流空腔约0.142 m3，如图9所示。

双泵同时停泵后，管道流量为零，潜水泵和离心泵的压力差为高程差，如图10和图11所示。

由于弥合水锤在J-45山顶处产生，此处管道虽然出现流量变化，但压力水头短时下降后趋于稳定，该水锤对管道的影响有限，如图12所示。

图6 离心泵停泵后管道工况

图7 离心泵停泵后潜水泵处的工况

5.4 设置防护措施

考虑到真空产生的原因，在山顶管道凸起处设置防护措施，即可消除水锤。在山顶管道J-45处设置水力空气阀或水锤消除罐后，管道内的断流空腔立即消除，如图13所示。

6 结论

利用Bentley Hammer V8i 软件，分析三组不同工况下模拟管道运行，可得到如下结论。

串、并联水泵需分别在各泵下游安装缓闭止回阀或多功能阀，可避免水泵反转，还可降低停泵水锤对水泵的破坏力。

图8 离心泵停泵后该泵处的工况

图9 双泵同时停泵后管道的工况

图10 双泵同时停泵后潜水泵处的工况

图11 双泵同时停泵后离心泵处的工况

管道纵断面设置要尽量避免出现局部凸起，若不能避开时，其管道局部凸起处高程差应尽可能控制在10 m 以内。鉴于本工程管道产生弥合水锤的破坏力较低，建议可采用按实际运行压力分为两个或多个管道压力等级管段，或增加水力空气阀等经济措施来降低水锤的破坏力。

图12 双泵同时停泵后J-45处的工况

图13 增加消除水锤措施后的双泵同时停泵工况

利用Bentley Hammer V8i 软件对光伏提灌管道进行优化设计，不仅能避免出现管道安全事故，还可降低工程造价。