淺談板橋泵站出水管的水錘計算

李演科

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西 咸陽 712000）

1 概況

板橋泵站由板橋一級站和王侯二級站組成。板橋一級泵站是塬下北干灌溉系統(tǒng)一級站，設計灌溉面積11.14萬畝，設計流量5.58m3/s，設計揚程32.5m。安裝3臺32sh-19離心泵，配套JSQ-1512-8型630kW電動機；3臺20sh-13離心泵，配套Y355-6型220kW電動機?？傃b機功率2550kW。王侯二級站是塬下北干灌溉系統(tǒng)板橋泵站二級站，距板橋泵站一級站約500m，設計灌溉面積7.31萬畝，設計流量3.66 m3/s，設計揚程 17.6m。安裝 4臺24sh-28離心泵，配套Y355-6型220kW電動機?？傃b機功率880kW。

2 泵站水錘及其防護

板橋泵站出水管道改造設計，將取消王侯二級站，高池出水壓力管道加長，揚程增加，其水錘危害必須引起重視。所以，出水管道的水錘計算對泵站的安全運行至關(guān)重要。為了準確計算水錘的水力條件，采用PIPE2000流體力學工程計算軟件包系統(tǒng)進行計算，精度高、工作量少、與實際較接近。

壓力管道水錘危害最大處一般發(fā)生在水泵出口及管道起伏變化較大處，同時隨著水錘波的來回傳播，管道流阻會逐漸降低其壓力。根據(jù)產(chǎn)生水錘的起因不同，分為啟泵水錘、停泵水錘、開閥水錘、關(guān)閥水錘等，啟泵或開閥水錘，使管道壓力增加，若排氣不暢，由于氣阻可能產(chǎn)生爆管；關(guān)閥或停泵水錘，使管道壓力方向發(fā)生變化，由于補氣不及時而可能產(chǎn)生負壓，將管道壓扁；關(guān)閥時間控制不當，有可能產(chǎn)生直接水錘。

考慮到3＃機組流量大、管道長、管徑大，本次僅對3號機組作水錘分析計算。

2.1 彈性水錘基本參數(shù)

彈性水錘計算理論的基本公式為：

式中，△H——水錘壓力，m；

L——壓力管道長度，m；

V——切斷水流時的流速，m/s；

g——重力加速度，9.8m/s2；

t——水錘相，即水錘波傳播的往返時間，s；

a——水錘波在水中傳播的速度，m／s；

K——水的彈模，N/m2；

D——管徑，mm；

E——管壁材料的彈模，N/m2；

δ——管道壁厚，mm。

經(jīng)計算，對于主管材為離心球墨鑄鐵的管道，水錘波在水中傳播的速度a=981m/s，水錘相 1.01s。

2.2 水錘分析

2.2.1軟件介紹

水錘分析應用的軟件包為PIPE2000流體力學工程計算軟件包系統(tǒng)。該系統(tǒng)為肯塔基大學開發(fā)研制。肯塔基大學的工程師們以及相應的團隊已經(jīng)在管道建模系統(tǒng)領(lǐng)域當中開拓發(fā)展了整整30年，而如今該計算軟件包為世界公認功能強大、邊界條件最全、實踐性最強的軟件系統(tǒng)?？蛇M行多個結(jié)點的綜合運算，成功應用于世界各地。

PIPE2000結(jié)合了所有流行的建模優(yōu)勢，形成了數(shù)個強大的功能體系。在Windows（98／NT4／NT5／2000／XP）GUI系 統(tǒng) 當 中完成恒態(tài)、瞬變態(tài)、氣體以及蒸氣模型，并與強大的圖紙軟件有機地結(jié)合成智能化方案型軟件。帶壓管道水力學瞬變流過程計算僅僅是軟件包當中的一部分，在相應的模型建立，模塊化的工具幾乎包涵了所有可能出現(xiàn)設備及附件。

2.2.2 幾點說明

（1）在水錘計算當中，正如正常設計需要留出設計余量一樣，也需要考慮一定的計算余量，以便應對實際當中可能出現(xiàn)的最不利工況。

（2）“余量”即指在管線系統(tǒng)當中盡可能采用較小的水流阻力，唯如此，水錘的計算才可能有一定的余量保證。因此系統(tǒng)所計算出來的實際揚程在大多數(shù)情況下，會比設計揚程低。

（3）在水錘波速的計算方面，會偏向較大的數(shù)值，也是余量的考慮范圍之中。

（4）在本項目當中，由于管線口徑較大，因此在計算阻力當中按國際習慣的取值進行計算。主要阻力計算公式為黑森·威廉母斯公式，其中C值取120。

2.2.3 水泵穩(wěn)態(tài)工況

僅在水泵出口裝設緩閉蝶閥，在水泵正常運行狀態(tài)下得到的穩(wěn)態(tài)水力坡度線，見圖1。

2.2.4 瞬態(tài)模擬方案

根據(jù)泵站設備的運行工況要求，從實際閥門關(guān)閉時間的要求，由1s、2s、3s時間關(guān)閘，快速閘門分全關(guān)和90%（余10%緩關(guān)）、70%（余30%緩關(guān)）進行水擊壓力計算，也就是說分三種方案：方案一：1s關(guān)閉100%；方案二：2s關(guān)閉90%，6s關(guān)閉10%；方案三：3s關(guān)閉70%，10s關(guān)閉30%。

（1）方案一：1s關(guān)閉100%。

整條管線均存在負壓及斷流彌合水錘，關(guān)閥過快，放棄此關(guān)閥方案。

（2）方案二：2s關(guān)閉90%，6s關(guān)閉10%。

該方案大泵存在持續(xù)倒轉(zhuǎn)及反復倒流的現(xiàn)象，且泵站升壓過高，故該關(guān)閥方案不合適。

（3）方案三：3s關(guān)閉70%，10s關(guān)閉30%。

對比以上結(jié)果可知，方案三沿線及泵站無升壓，水泵倒轉(zhuǎn)及倒流量均在允許范圍之內(nèi)，只是在管線的局部高點存在微弱的負壓。

結(jié)論是采用方案三，3s關(guān)閉70%，10s關(guān)閉30%，選擇出口蝶閥，對管道的運行來說，比較安全。擬選用兩階段關(guān)閉的蝶閥。

2.3 水錘分析水錘安全防護措施

（1）水泵出口安裝兩階段關(guān)閉的蝶閥

通過上述水錘瞬態(tài)模擬分析，出口裝設兩階段緩閉蝶閥，合理設定開關(guān)時間可有效防護水錘。

圖1 穩(wěn)定水力坡度線

圖2 方案一整條管線的水擊包絡圖

圖3 方案二大泵轉(zhuǎn)速歷時曲線

圖4 方案二整條管線的水擊包絡線

圖5 方案三大泵轉(zhuǎn)速歷時曲線

圖6 方案二整條管線的水擊包絡線

水泵啟動后，閥門緩慢開啟，確保供水管線不會因為供水流量變化而產(chǎn)生正向水錘。水泵在關(guān)閉時，先關(guān)閉閥門，當閥門關(guān)閉完成后，再關(guān)閉水泵，從而避免因水泵關(guān)閉而發(fā)生的停泵水錘。

當事故停電，水泵失去驅(qū)動力，蝶閥按預定程序在3s快關(guān)70%行程，剩余30%行程在10s內(nèi)關(guān)閉，從而降低水泵機組的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和避免管道壓力升高。

泵站安裝水泵6臺，設計在每臺水泵出口管道上分別安裝兩階段關(guān)閉蝶閥共6臺。

（2）在兩階段關(guān)閉蝶閥后安裝壓力波動預止閥

雖然兩階段緩閉體現(xiàn)非常好的防水錘效果，但為了防止液控蝶閥拒動作，即防護失敗的可能性，仍然需要后保護設備，在1?！?＃水泵液控蝶閥下游各安裝一臺DN200（DN150為1＃、2＃機組）的水擊泄放閥，設定開啟壓力為68m。該閥安裝在泵站廠房外墻的主管道上，并用管道與泵站進水池相連，高壓水可泄入池內(nèi)。

該閥是一種自動控制閥，其作用是減少水泵因事故停電失去驅(qū)動力時在管道系統(tǒng)中所引起的壓力波動，能夠可靠的保護水泵和泵站。此閥是種導閥控制液壓驅(qū)動的鋼隔膜控制閥。當停泵后的第一個低壓波到達閥門時，低壓控制導閥自動開啟，以使主閥隨之開啟，從而預防從管道系統(tǒng)返回的高壓力波動。開啟的主閥會將隨之而來的高壓力波排至大氣，當系統(tǒng)壓力恢復低壓控制導閥的設定值上時，導閥本身將會關(guān)閉，導致主閥關(guān)閉，避免額外的損失系統(tǒng)的壓力和水量。

（3）防水錘型空氣閥

空氣閥是管道系統(tǒng)中的重要附件，其作用是控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的空氣，能夠防止管道內(nèi)存在的氣體或者因缺少空氣補償而對系統(tǒng)運行產(chǎn)生的干擾和破壞。

空氣閥為自動運行機構(gòu)，它對過閥空氣量及空氣過閥流速的控制均根據(jù)系統(tǒng)的狀況來自行完成。目前空氣閥分為低壓進排氣閥，高壓微量排氣閥，組合式空氣閥。

空氣閥的口徑選擇，本階段根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，空氣閥的口徑宜取輸水管道直徑的1/8左右。按照水錘計算建議，在6臺機組虹吸式出水管頂部均安裝fig990防水錘型空氣閥，規(guī)格DN150為3臺，DN100為2臺。

3 結(jié)語

針對板橋泵站，出水管道選用球磨鑄鐵管，根據(jù)水錘計算要求，采用兩階段關(guān)閉的蝶閥和防水錘型空氣閥配套使用，滿足了水泵機組的防水錘要求。經(jīng)過投產(chǎn)運行，該設計方案效果良好。陜西水利