關(guān)于啟、停泵時有壓輸水管道的水錘防護(hù)研究

李鵬飛

（山東省水利勘測設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250013）

1 引言

因流速劇烈變化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。壓力管道在啟、停泵時，有壓管道內(nèi)流量變化最劇烈，因此產(chǎn)生的水錘也最具破壞性。如何有效地應(yīng)對壓力管道在啟、停泵時產(chǎn)生的水錘對確保工程安全至關(guān)重要。

在輸水管道中存在氣水兩相流形式運(yùn)行，設(shè)計(jì)長距離有壓輸水管道時，應(yīng)分析在不同工況下可能出現(xiàn)的水的流動狀態(tài)，選擇在合適的位置安裝一定數(shù)量的防護(hù)設(shè)備。本文主要探討在長距離有壓輸水管道工程中有局部高點(diǎn)的位置，采用安裝空氣閥的防護(hù)措施來消除管道中的水錘危害。

2 啟、停泵時有壓輸水管道水錘的計(jì)算模型

啟、停泵時水錘的計(jì)算數(shù)學(xué)模型是描述管道全系統(tǒng)瞬變流的特征線方程。它與管道系統(tǒng)內(nèi)各類設(shè)施邊界條件及管道以外的其他邊界條件一起構(gòu)成啟、停泵時水錘的數(shù)學(xué)模型。

2.1 空氣閥的邊界條件

式（4）是所有具有排氣功能的排氣裝置的通用計(jì)算公式。

特殊情況下，目前應(yīng)用最廣泛的空氣閥裝置是具有恒速緩沖功能的空氣閥，它增加了緩沖裝置，在公式中表現(xiàn)為：

2.2 空氣閥模型的表示

空氣閥是有壓輸水管道工程中消除水錘最常用設(shè)備。管道正常運(yùn)行工況下，水中會有溶解的空氣隨著溫度的上升或壓力下降從管道中析出；管道在閥門需要開啟、關(guān)閉工況下，管道中因流速劇烈變化等情況出現(xiàn)負(fù)壓時，外部空氣通過空氣閥進(jìn)入管道內(nèi)部。空氣閥按其低于大氣壓系統(tǒng)進(jìn)氣、高于大氣壓系統(tǒng)排氣的物理特點(diǎn)建立模型，用差分法求解。對空氣閥作如下假定：空氣等熵地流入流出閥；管內(nèi)的空氣溫度始終不變；流進(jìn)管內(nèi)的空氣仍留在空氣進(jìn)、排氣閥附近；液體表面高度基本不變，空氣體積和管段里液體體積相比很小。

由以上假定，要求空氣閥安裝在管道局部高點(diǎn)的頂點(diǎn)位置并選為計(jì)算截面。通過空氣閥的空氣質(zhì)量取決于管外大氣的絕對壓力P0、絕對溫度T0以及管內(nèi)的絕對壓力p 和絕對溫度T。

3 實(shí)例研究

3.1 工程概況

尼山水庫調(diào)蓄水工程主要利用泗河干流水庫、閘壩調(diào)蓄水量為尼山水庫（圣水湖）補(bǔ)水。主要包括泵站工程2 座、有壓輸水管道工程。泗河水經(jīng)一級泵站加壓后進(jìn)入管道輸水至二級泵站，再由二級泵站加壓后沿河道至尼山水庫。

該工程為壓力輸水，輸水管道較長，為防止水錘壓力，在管道的隆起點(diǎn)和每隔800m 左右設(shè)復(fù)合進(jìn)排氣閥1 對，材質(zhì)為球墨鑄鐵或鑄鋼，用以排除管道內(nèi)空氣和在管道檢修時放氣或補(bǔ)氣以保持排水通暢，并起著消除水錘、保護(hù)管道安全的作用。

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)兩級泵站，第一級泵站設(shè)計(jì)流量4.35m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程51.27m，設(shè)3 臺DFSS800-14N/8 型供水離心泵，單機(jī)功率1000kW，水泵轉(zhuǎn)速740r/min，管道樁號長度為17.1km；第二級泵站設(shè)計(jì)流量4.35m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程45.71m，設(shè)4 臺DFSS800-14N/8A 型供水離心泵，單機(jī)功率900kW，水泵轉(zhuǎn)速740r/min，管道樁號長度為6.4km。

泵站至尼山水庫管道總長度23.5m。泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位70.50m，最高運(yùn)行水位71.00m，最低運(yùn)行水位68.50m，興利水位124.52m。

3.3 運(yùn)行要求

該工程共兩個管段，其中第一管段泗濱泵站～二級泵站壓力前池入口，第二管段二級泵站～尼山水庫入口均為加壓輸水管道，其運(yùn)行基本方法按下列要求操作：

（1）水泵啟動

水泵正常啟動時，除一般正常操作步驟外，還應(yīng)使閥門開啟速度不致過快導(dǎo)致較大的啟動水錘升壓。突然停泵后再次開啟水泵，應(yīng)控制輸水管流速，確保輸水管內(nèi)不存在氣囊后，再逐漸加大流速至設(shè)計(jì)值。

輸水管道初次通水時，水泵啟動應(yīng)控制充水流速，當(dāng)輸水管全部充滿、沿線所有排氣閥停止排氣后，再逐漸加大充水流速至設(shè)計(jì)流量。

（2）停泵

應(yīng)首先關(guān)閉水泵前出水閥門，再停水泵。當(dāng)較長時間停運(yùn)時，可放空管內(nèi)存水，一般情況不宜放空管路。

（3）流量調(diào)節(jié)

水泵正常運(yùn)行時，一般應(yīng)采用多臺水泵并聯(lián)方式進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

3.4 泵站啟、停泵時水錘模擬

（1）一級泵站

水泵出口設(shè)置控制閥，控制閥為兩階段關(guān)閉，5s 關(guān)閉70%，30s 關(guān)閉100%。泵站設(shè)計(jì)流量4.35 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程51.27m，全長17123m。水錘壓力包絡(luò)線、水力坡度線見圖1、圖2。

圖1 一級泵站壓力包絡(luò)線圖

圖2 一級泵站水力坡度曲線圖

由圖可知，在計(jì)算時間內(nèi)，最大壓力約0.65MPa，位于管道起始位置，最大負(fù)壓區(qū)位于管道末端，最大負(fù)壓值約0.07MPa。經(jīng)復(fù)核，管材、閥件選擇合理。

泵站機(jī)組從停泵后，轉(zhuǎn)速從740rpm 下降到15.7rpm，滿足規(guī)范要求。

（2）二級泵站

水泵出口設(shè)置控制閥，控制閥為兩階段關(guān)閉，5s 關(guān)閉70%，30s 關(guān)閉100%。泵站設(shè)計(jì)流量4.35 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程45.71m，全長6389m。水錘壓力包絡(luò)線、水力坡度線見圖3、圖4。

圖3 二級泵站壓力包絡(luò)線圖

圖4 二級泵站水力坡度曲線圖

由圖可知，在計(jì)算時間內(nèi)，最大壓力約1.18MPa，位于管道起始位置，最大負(fù)壓區(qū)位于管道末端，最大負(fù)壓值約0.075MPa。經(jīng)復(fù)核，管材、閥件選擇合理。

泵站機(jī)組從停泵后，轉(zhuǎn)速從740rpm 下降到-4.0rpm，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)管道水錘計(jì)算并復(fù)核管道起始點(diǎn)及末端管中心設(shè)計(jì)高程，管道在最不利運(yùn)行下滿足壓力管道頂部有不少于2.0m 的壓力水頭的規(guī)范要求。

4 結(jié)論

有壓輸水管道啟、停泵時，很容易產(chǎn)生巨大的水錘壓力，給輸水系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害。計(jì)算結(jié)果表明在局部高點(diǎn)裝設(shè)空氣閥，可以有效地防止開啟、關(guān)閉閥門時產(chǎn)生巨大水錘■