水錘防護措施在高揚程光伏提灌系統(tǒng)中的應(yīng)用*
——以九寨溝縣保華鄉(xiāng)半山村太陽能提水泵站為例

廖功磊 張紹輝 余欣¤ 羅利學(xué) 林玉東付川

1.四川省機械研究設(shè)計院（集團）有限公司，四川成都

2.四川省丘區(qū)山區(qū)智能農(nóng)機裝備創(chuàng)新中心，四川德陽

3.四川農(nóng)業(yè)工程學(xué)會，四川成都

4.資陽市雁江區(qū)雁江鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，四川資陽

1 概述

九寨溝縣保華鄉(xiāng)半山村太陽能提灌泵站，主要以S301省道旁山溪溝的山泉水為提灌水源，通過提灌站及供水管道向半山村高位水池供水，以解決半山村人畜飲水問題。工程主要由提灌站、輸水管道、新建水池（低位）、原有蓄水池（高位）、光伏陣列等組成。如圖1所示。

本文采用Bentley Hammer V8i 對泵站管路系統(tǒng)進(jìn)行建模及水錘分析，并采用相應(yīng)的防水錘措施，以便使管路系統(tǒng)更加安全、經(jīng)濟、可靠。

圖1 半山村提灌站管道平面布置示意圖

2 模型構(gòu)建

提灌站采用二級提水，提灌設(shè)計流量為5 m3/h。其中，一級泵靜揚程為25 m，二級泵靜揚程為338 m。一級泵輸水管線長80 m，二級泵輸水管線長2 120 m。所有管徑均為Φ57 mm×4 mm，管材選用無縫鋼管，作防腐處理。

一級潛水泵設(shè)計流量為5 m3/h，設(shè)計揚程為36 m，配套電機功率為1.1 kW。二級離心泵設(shè)計流量為5 m3/h，設(shè)計揚程為400 m，配套電機功率為15.0 kW。

根據(jù)實際管道布置，為簡化計算，除在管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置計算節(jié)點外，直線管道段長度每150 m設(shè)計一個計算節(jié)點。

進(jìn)水池、一級泵站、二級泵站、閥門、出水池及管道各節(jié)點按測繪標(biāo)高如圖2所示。

圖2 管道中心標(biāo)高及水力坡度線

3 水錘及危害

在有壓管道系統(tǒng)中，由于人為或事故等因素對管道上的泵或閥門進(jìn)行操作，短時間內(nèi)引起道內(nèi)流速的急速變化，由于水流慣性作用，致使管道內(nèi)流體壓力也相應(yīng)地急劇升高或降低，并在管道內(nèi)傳播的現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。在沒有考慮正確的防護措施情況下，實際工程中，水錘現(xiàn)象會造成很大的危害——管道破裂或塌癟、管道各設(shè)備損壞等。

水錘一般分為啟泵水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘三種，而停泵水錘是三種水錘中危害最大的一種。本文以分析停泵水錘為主，并制定相應(yīng)的水錘防護措施，以確保管道設(shè)備安全運行。水泵突然斷電或事故停泵后，管道內(nèi)流量和壓力急速下降。當(dāng)管內(nèi)流體壓力降至汽化壓力而在管道中的某些截面發(fā)生水柱分離現(xiàn)象，水中氣體析出，造成管道氣蝕，或因管道內(nèi)負(fù)壓過大，造成管道塌癟。當(dāng)分離水柱再次彌合時，將產(chǎn)生更大的彌合水錘，對管壁造成更大的沖壓力。

4 正常工況分析

為檢驗管道布置的合理性，首先分析管道正常運行條件下的水力坡度是否合理，此時，管道不包括啟動、開閥、停泵或關(guān)閥等操作。

管道縱坡隨地形因素基本上成右上升曲線，J-44至J-45 段高于出水口，由于管道不允許從田間穿越，只能隨公路沿線布置，故不能修改。此處管道標(biāo)高比出水口高，除會增加供水壓力外，還可能產(chǎn)生彌合水錘。

正常運行工況下，管道內(nèi)既無空氣也沒有負(fù)壓產(chǎn)生，管道最大正常工作壓力為5.0 MPa，如圖3所示。

圖3 管道正常工況水力坡度線

5 停泵水錘分析

供水管道發(fā)生最大的水錘破壞工況主要是由停泵造成的，因此，分別對單臺泵停泵以及全部泵同時停泵進(jìn)行分析。

5.1 一級潛水泵停泵水錘分析

本工況為一級潛水泵在正常運行后2 s 發(fā)生停泵事故，此時二級水泵仍正常運行。一級潛水泵停泵后，管道運行壓力曲線（藍(lán)色）下降，二級離心泵后無空氣聚積，泵后也無水錘發(fā)生，如圖4所示。

由于一級泵二級泵高程差約25 m，高于泵房處的大氣壓力，一級潛水泵停泵后，其下游管道處無壓力狀態(tài)，流量從正常的5 m3/h 下降至0。由于一級潛水泵停泵斷流，二級離心泵空轉(zhuǎn)無法繼續(xù)向山頂水池供水，如圖5所示。

5.2 二級離心泵停泵水錘分析

離心泵停泵后，由于管道壓力下降至山頂節(jié)點J-45至J-46 高程以下，此處山頂管道因出現(xiàn)負(fù)壓而產(chǎn)生彌合水錘，如圖6所示。

由于管道壓力低于山頂水池高程，管道流量為零，管道壓力在不到10 s 短時振蕩后逐漸趨于1 438.7 m，如圖7所示。

圖4 潛水泵停泵管道工況水力坡度線

圖5 潛水泵停泵后潛泵處的工況

離心泵處的流量在短時（不足10 s）的彌合振蕩后，最終趨近于零，如圖8所示。

5.3 一級和二級泵同時停泵水錘分析

雙泵同時停泵后，在山頂管道段J-45 至J-46 處出現(xiàn)斷流空腔約0.142 m3，如圖9所示。

雙泵同時停泵后，管道流量為零，潛水泵和離心泵的壓力差為高程差，如圖10和圖11所示。

由于彌合水錘在J-45山頂處產(chǎn)生，此處管道雖然出現(xiàn)流量變化，但壓力水頭短時下降后趨于穩(wěn)定，該水錘對管道的影響有限，如圖12所示。

圖6 離心泵停泵后管道工況

圖7 離心泵停泵后潛水泵處的工況

5.4 設(shè)置防護措施

考慮到真空產(chǎn)生的原因，在山頂管道凸起處設(shè)置防護措施，即可消除水錘。在山頂管道J-45處設(shè)置水力空氣閥或水錘消除罐后，管道內(nèi)的斷流空腔立即消除，如圖13所示。

6 結(jié)論

利用Bentley Hammer V8i 軟件，分析三組不同工況下模擬管道運行，可得到如下結(jié)論。

串、并聯(lián)水泵需分別在各泵下游安裝緩閉止回閥或多功能閥，可避免水泵反轉(zhuǎn)，還可降低停泵水錘對水泵的破壞力。

圖8 離心泵停泵后該泵處的工況

圖9 雙泵同時停泵后管道的工況

圖10 雙泵同時停泵后潛水泵處的工況

圖11 雙泵同時停泵后離心泵處的工況

管道縱斷面設(shè)置要盡量避免出現(xiàn)局部凸起，若不能避開時，其管道局部凸起處高程差應(yīng)盡可能控制在10 m 以內(nèi)。鑒于本工程管道產(chǎn)生彌合水錘的破壞力較低，建議可采用按實際運行壓力分為兩個或多個管道壓力等級管段，或增加水力空氣閥等經(jīng)濟措施來降低水錘的破壞力。

圖12 雙泵同時停泵后J-45處的工況

圖13 增加消除水錘措施后的雙泵同時停泵工況

利用Bentley Hammer V8i 軟件對光伏提灌管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，不僅能避免出現(xiàn)管道安全事故，還可降低工程造價。