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标题 长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤防护措施
范文 冀健红 高传昌 刘新阳


摘要：运用水锤理论和特征线法，结合工程实例，对采用缓闭式蝶阀、空气阀和单向调压塔等防护措施的长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤进行计算和分析，得到了管道沿程的水头包络线以及泵端性能参数相对值的变化曲线。计算结果表明，无防护措施下最小水锤水头较低，泵端性能参数变化较大；泵端蝶阀防护可以有效地控制泵端性能参数流量和转速变化幅度，但水头的变化出现了振荡，最小水锤水头值降低；采用空气阀+泵端蝶阀防护可以有效地增加最小水锤水头值，只在管道局部出现负压，但与泵端蝶阀防护相比性能参数变化有所增大；单向调压塔+泵端蝶阀对停泵水锤防护效果最为明显。为了减小单向调压塔数目，最终选择单向调压塔+空气阀+泵端蝶阀的组合作为最终的防护措施，与无防护措施相比，组合防护下整个管道不出现负压，泵端水头虽出现了振荡，但幅度不大，流量最大变化幅度下降0.15，转速最大变化幅度下降0.7，转矩振荡时间变短。
关键词：长距离；多泵；输水系统；停泵；水锤；防护措施
中图分类号：TV68 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0112-04
由于受到地形的影响，长距离输水系统的沿程管线布置不可避免地存在局部凹下和凸起的管段，在水泵因故突然断电停泵时常常发生水锤事故，引起管道压力变化，如果伴有水柱分离过程会导致管线压力急剧增加，造成管道破裂和泵站停止运行事故。因此研究长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤有着重要的意义。目前长距离泵输水系统常用的水锤防护措施有：缓闭式蝶阀[1]、单向调压塔[2-5]和空气阀[6-8]等。本文针对南水北调某泵站长距离多泵联合运行输水系统，进行停泵水锤计算，分析不同防护措施的管道水锤水头变化以及泵端的性能参数变化情况，提出合理的停泵水锤防护措施。
1 数学模型
1.1 水锤基本方程
水锤基本方程是水锤计算和分析研究的基础，主要是依据弹性理论推导。其运动方程和连续方程如下[9]：
式中：H为测压管水头（m）；f、D分别为管道的摩阻系数和管直径（m）；V为管内液体的流速（m3/s）；θ为管中心线与水平面的夹角；x、t分别为水锤波沿管轴线传播的距离（m）和时间（s）；a为水锤波速（m/s）。
1.2 边界条件
边界条件主要包括泵端边界条件。在水泵全特性曲线的基础上，通过水头平衡和转速变化方程[10]，依次建立长距离输水系统常用防护措施（缓闭式蝶阀、单向调压塔、空气阀和出水口）的边界条件[11-12]。
1.3 数值计算方法
管道节点划分采用调整波速法[13]。水锤的基本方程不能直接求解，主要采用特征线法[14-15]，通过将其转换为等价的常微分方程并进行积分计算，建立有限差分方程，编制相关计算程序进行求解。在求解过程中耦合不同的边界条件，从而获得不同防护措施下管道的沿程水头包络线以及泵端性能参数（水头、转矩、流量和转速）相对值变化曲线，相对值为性能参数实际值与额定值的比值。
2 计算实例
2.1 工程概况
南水北调配套工程某泵站输水管线全长3 332.4 m，管径为1.8 m，进水口水位为119.4 m，出水池水位为164.7 m，水位高差为45.3 m。泵站由4台同型号水泵组成，水泵比转速122，额定扬程51 m，额定流量1.53 m3/s，额定转速730 r/min，额定效率83%，额定转矩1 228 kg·m，机组转动惯量34.37 kg·m2。
2.2 防护效果比较
2.2.1 无防护措施
从图1可以看出，在无防护措施下，管道系统中的最小水锤水头较低，出现了负值，而且管道负压区域较长，很可能产生水柱分离及弥合水锤，造成管道系统的破坏，所以需要在管道系统中添加相应水锤防护措施，来增加最小水锤水头。另外，从图2可知，泵端水头上升不大，最大变化幅度略大于1，但是水泵倒流速度较大，造成机组倒转速度很大，变化幅度值大于1，可能产生飞逸工况，对机组造成破坏。
2.2.2 泵端蝶阀防护
在水泵出口安装两阶段缓闭式蝶阀，其关闭规律为快关15 s、角度60°，慢关90 s、角度30°，其停泵水锤防护效果见图3和图4。由图可知，在泵端添加阀门后，减小了最大水锤水头的最大值，但最小水锤水头也减小，出现了更低的水锤水头负值。主要是由于蝶阀的存在导致反向和正向水流流速变小，压力上升变慢，而压力下降时间变长，因此压力下降幅度变大。
此防护措施对于泵端倒流流量、机组倒转速度以及转矩起到了明显的降低作用，流量和转速最大变化幅度均小于0.3，而转矩小于0.1。原因在于蝶阀的关闭导致水流流量和速度变小，从而降低了水泵的反转转速，但蝶阀的存在，导致水头变化的振荡，振荡幅度较大。因此，只靠泵端蝶阀并不能减少管道中负压，需要在管道系统中添加空气阀或者单向调压塔等防护措施。
2.2.3 空气阀+泵端蝶阀防护
在管道长度为330 m、768 m、1 766 m及2 185 m等凸起处添加空气阀，其水锤防护效果见图5和图6。由图可知，与泵端蝶阀防护相比，最大水锤水头进一步变小，最小水锤水头明显增大，原因在于当管道系统出现负压时，空气阀开启，空气进入管道，避免在管道内产生较大的负压，起到保护作用，可有效的增大最小水锤水头。但在管长1 550 m和出口附近处仍会出现负压，因为受空气阀的进气限制，水锤波的反射并不充分。由图6可知，由于空气阀进气，水气混合后使泵端倒流最大流量、转速和转矩比泵站蝶阀防护均有所增大，流量最大变化幅度超过0.5，而转速最大变化幅度接近0.5，转矩最大变化幅度为0.3，水头的变化同样呈现出振荡，但幅度变小。
2.2.4 单向调压塔+泵端蝶阀防护
在管道长度为330 m、768 m、1 766 m及2 185 m等凸起处添加单向调压塔，其水锤防护效果见图7、图8。可以看出，当只采用单向调压塔防护时，与采用空气阀相比，最大水锤水头继续减小，最小水锤水头在管轴线以上，整个管道中不会出现负压，因为管道系统出现负压时，调压塔补充足够的水量，而且由于调压塔断面的扩大，可以完全反射水锤波。由于单向调压塔向管道补充了水量，会使泵端倒流流量、机组转速和转矩比空气阀防护有所增加，流量变化幅度接近0.7，转速变化幅度超过了0.5，转矩变化幅度接近0.5，水头的最大变化幅度不超过1，而且振荡幅度进一步变小。考虑到调压塔的造价较高，所以在设计中应尽量减小单向调压塔数目，为此选用单向调压塔和空气阀的组合来控制管道系统中水锤水头。
2.2.5 空气阀+单向调压塔+泵端蝶阀防护
通过对空气阀和单向调压塔的组合进行计算，在满足防护要求的基础上选用在管道长为768 m 和2 185 m处添加单向调压塔，而其余位置添加空气阀的防护措施，其水锤防护效果见图9和图10。可以看出，在管道系统中利用泵端蝶阀门、空气阀和单向调压塔的组合，最大水锤水头在管道前部分较高，后部分则下降较快，最小水锤水头在管轴线以上，泵端的水头、倒流流量和机组倒转等性能参数得到很好的控制，水头最大变化幅度超过1，但是振荡幅度进一步变小，转速和流量的变化幅度均略大于0.5，转矩变化幅度0.28。所以泵站拟采用空气阀、单向调压塔和泵端蝶阀的组合对停泵水锤进行防护，与无防护措施相比，流量最大变化幅度下降0.15，转速最大变化幅度下降0.7，转矩振荡时间变短。
3 结语
长距离多泵联合运行输水系统如果发生停泵水锤将对管道及机组产生明显的危害作用，所以必须采取有效的措施进行防护。本文以南水北调某泵站长距离输水系统为例，在
对无防护、泵端蝶阀防护、空气阀+泵端蝶阀防护、单向调压塔+泵端蝶阀防护和空气阀+单向调压塔+泵端蝶阀防护等不同措施计算的基础上，对管道沿程最大水锤水头、最小水锤水头及泵端扬程、流量、转速和转矩等防护效果进行了分析，结果表明，单向调压塔+泵端蝶阀和空气阀+单向调压塔+泵端蝶阀防护均能满足防护要求，单向调压塔+泵端蝶阀管道水锤防护效果最好，泵端蝶阀管道水锤防护效果最差，但对泵端性能参数控制效果最好。考虑到单向调压塔成本较高，泵站采用单向调压塔+空气阀+泵端蝶阀的组合作为停泵水锤防护措施。
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