保山市万润水利电力勘测设计有限公司 云南保山 678000
摘要：随着自流引水工程的逐渐饱和，针对部分地区用水紧张的现状，利用高扬程离心泵将地势较低处的水源抽到高处，以满足日趋紧张的用水需求，已是大势所趋。泵站工程的核心设备在于水泵机组，其安全问题在于水力过渡过程（水锤）及由此引发的系列问题：包括水泵倒转；水锤对管道系统及机组的冲击；管道破坏引发的次生灾害。因此，从全面进行水锤防护的角度来讲，关键在于得出模拟计算的具体结论，进而给出水锤防护的措施。
关键词：高扬程离心泵站；水锤；防护
一、工程实例
某调水工程泵站部分设计4台工作泵组，1台备用泵组，多年平均调水量约3600万m3，泵站最大扬程500m，单机流量0.4m3/s，水泵进口压力水头20m，出水管管径1000mm，轴长1500m，管线布置无驼峰凸起。
泵组遇突然停电全部掉电工况的水力过渡过程最为极端，产生的水锤压力升高值最大，水锤的防护计算一般以此种工况进行。水锤压力的变化受管路阀门启闭、地形起伏、管道特性等边界条件影响，计算过程复杂。本文以以上背景为例，采用Bentley HAMMER系列软件模拟水锤防护计算。
二、选择适当的水锤防护设施
液压止回阀
泵组系统突然断电，机组失去动力，短时间内管内水流会出现倒流。根据工程经验，水泵倒转会对设备造成不同程度的损坏，故需在水泵出口安装止回阀或控制阀，以防止水泵倒转。
以背景为例，在水泵出口安设速闭止回阀。系统断电，触发速闭止回阀动作，速闭止回阀的关阀时间控制成为关键：关阀太快，造成较大的关阀水锤；关阀慢，无法达到阻止水泵倒转的目的。经分析，水泵倒转的动力来自倒转的水流，故关阀时间与水流开始倒流时间相匹配为宜。速闭止回阀不同关阀时间造成的水锤压力及水泵倒转情况如下：
关阀时间1s，水泵无倒转，泵后最大压力8MPa；关阀时间2.5s，水泵无倒转，泵后最大压力7.5MPa；关阀时间10s，水泵倒转，泵后最大压力7.7MPa。综上所述，当关阀时间接近管内水流倒流时间时，此时对水流动量改变最小，造成的水锤压力较小，水泵无倒转。
补排气阀
管路系统中设置补排气阀的目的：其一，适时排出管道内流体溢出的空气，避免降低管道的过流能力；其二，在管线布设的平缓段或凸起段及时进行负压补气，避免管道内部出现过低的负压；其三，水柱弥合时，吸入的气体充当气垫作用，高压下缓慢排出，防止造成弥合水锤。
以背景为例，泵后设置止回阀（2.5s关阀），管路不设置补排气阀时，当泵组因意外停电，管道水力过渡过程如下：
图1 设止回阀的泵站管道水力过渡过程（不设补排气阀）
（注：光滑的黑色线条为泵组正常运行压力水头线，有波动的黑色线条为实时压力水头线，红色和蓝色线条分别为最高、最低压力水头包络线，绿色为管轴线，下同。）
从上图可以看出，当管道中部和尾部高点补排气阀未工作时，管道中部和出口段出现了绝对负压（-0.1MPa）；管道出口段的水柱被拉断后，该部位产生了大量的气化气体，水柱弥合时，气体被压缩溃灭、水柱撞击产生瞬时高压；泵后最大压力7.9MPa。管路系统安装3只DN250补排气阀后，管道水力过渡过程如下：
图2 设止回阀+设补排气阀的泵站管道水力过渡过程
从上图可以看出，管道中部负压被完全消除，出口段负压下降到-0.05MPa，管道系统抗外压稳定安全系数得以提高；整个管路系统未出现弥合水锤，泵后最大压力7.1MPa，管路系统压力波动平缓。
水锤消除罐
水锤消除罐（又叫空气压力罐）通常与泵组出口的主管路相连，与常规水锤消除设备相比，使用水锤消除罐后，管路系统的水力过渡过程会更加平稳，水锤升压会大大降低。以背景为例，管道系统安装速闭止回阀和空气阀后，再在主管安设1台15m3的空气压力罐，管道水力过渡过程如下：
图3 设止回阀+补排气阀+水锤消除罐的泵站管道水力过渡过程
从上图可以看出，管道最高、最低压力水头包络线更加趋向于正常运行工况压力水头线；整个管路系统未出现弥合水锤，空气阀吸气量减少，泵后最大压力5.4MPa，管路系统压力波动平缓。
水锤消除罐具有自动运行、内部构造简易以及压力可调的明显优势，在泵站管道系统的水力过渡过程中，水锤压力罐具有补水和气垫缓冲的功能，有效缓解水锤波动、消减水锤压力。其工作压力≤10MPa，可选容积1~40m3，适用范围较广。
针对高扬程泵站系统，全面进行水锤防护需要同时借助于多种类型的水锤防护设施，而不能够仅限于依赖单一的系统防护设施。因此在必要的时候，可以选择运用多种不同的水锤防护装置组合，以保证实现最佳的水锤防护效果。
水锤防护计算的具体要点
对于高扬程离心泵泵站系统而言，全面进行水锤防护的关键点在于降低突然发生的水锤危害，最好可以做到在根源上防控水锤现象的出现。在此前提下，水锤防护计算需要重点着眼于日常性的水锤管理以及系统运行监管。同时，作为系统管理者也要做到明确现阶段的水锤现象潜在的可能性，进而运用科学手段对于潜在的水锤现象风险进行有序的防控。三种水锤防护设施的计算研究要点分列如下：
结束语：
水锤防护措施对于维持高扬程离心泵泵站系统的正常运转具有不可忽视的重要意义。借助科技手段，将复杂边界条件的水力过渡过程进行可视化模拟，并采取合理的水锤防护措施，将离心泵组水力过渡过程控制在经济、合理的范围内，确保最大化的实现泵站系统运行效益。水锤防护设施多样，应根据具体工程实际情 况选用，篇幅所限，不再赘述。
参考文献：
[1]董安建，李现社.水工设计手册（第2版）第9卷 灌溉、供水[M].北京：中国水 利水电出版社，2014.4：486-495.
论文作者:邵维赛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/16
标签：压力论文; 泵站论文; 管道论文; 防护论文; 水泵论文; 止回阀论文; 水力论文; 《基层建设》2019年第18期论文;