浅谈板桥泵站出水管的水锤计算

2012-09-25李演科

陕西水利 2012年6期

李演科

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局陕西咸阳 712000）

1 概况

板桥泵站由板桥一级站和王侯二级站组成。板桥一级泵站是塬下北干灌溉系统一级站，设计灌溉面积11.14万亩，设计流量5.58m3/s，设计扬程32.5m。安装3台32sh-19离心泵，配套JSQ-1512-8型630kW电动机；3台20sh-13离心泵，配套Y355-6型220kW电动机。总装机功率2550kW。王侯二级站是塬下北干灌溉系统板桥泵站二级站，距板桥泵站一级站约500m，设计灌溉面积7.31万亩，设计流量3.66 m3/s，设计扬程 17.6m。安装 4台24sh-28离心泵，配套Y355-6型220kW电动机。总装机功率880kW。

2 泵站水锤及其防护

板桥泵站出水管道改造设计，将取消王侯二级站，高池出水压力管道加长，扬程增加，其水锤危害必须引起重视。所以，出水管道的水锤计算对泵站的安全运行至关重要。为了准确计算水锤的水力条件，采用PIPE2000流体力学工程计算软件包系统进行计算，精度高、工作量少、与实际较接近。

压力管道水锤危害最大处一般发生在水泵出口及管道起伏变化较大处，同时随着水锤波的来回传播，管道流阻会逐渐降低其压力。根据产生水锤的起因不同，分为启泵水锤、停泵水锤、开阀水锤、关阀水锤等，启泵或开阀水锤，使管道压力增加，若排气不畅，由于气阻可能产生爆管；关阀或停泵水锤，使管道压力方向发生变化，由于补气不及时而可能产生负压，将管道压扁；关阀时间控制不当，有可能产生直接水锤。

考虑到3＃机组流量大、管道长、管径大，本次仅对3号机组作水锤分析计算。

2.1 弹性水锤基本参数

弹性水锤计算理论的基本公式为：

式中，△H——水锤压力，m；

L——压力管道长度，m；

V——切断水流时的流速，m/s；

g——重力加速度，9.8m/s2；

t——水锤相，即水锤波传播的往返时间，s；

a——水锤波在水中传播的速度，m／s；

K——水的弹模，N/m2；

D——管径，mm；

E——管壁材料的弹模，N/m2；

δ——管道壁厚，mm。

经计算，对于主管材为离心球墨铸铁的管道，水锤波在水中传播的速度a=981m/s，水锤相 1.01s。

2.2 水锤分析

2.2.1软件介绍

水锤分析应用的软件包为PIPE2000流体力学工程计算软件包系统。该系统为肯塔基大学开发研制。肯塔基大学的工程师们以及相应的团队已经在管道建模系统领域当中开拓发展了整整30年，而如今该计算软件包为世界公认功能强大、边界条件最全、实践性最强的软件系统。可进行多个结点的综合运算，成功应用于世界各地。

PIPE2000结合了所有流行的建模优势，形成了数个强大的功能体系。在Windows（98／NT4／NT5／2000／XP）GUI系统当中完成恒态、瞬变态、气体以及蒸气模型，并与强大的图纸软件有机地结合成智能化方案型软件。带压管道水力学瞬变流过程计算仅仅是软件包当中的一部分，在相应的模型建立，模块化的工具几乎包涵了所有可能出现设备及附件。

2.2.2 几点说明

（1）在水锤计算当中，正如正常设计需要留出设计余量一样，也需要考虑一定的计算余量，以便应对实际当中可能出现的最不利工况。

（2）“余量”即指在管线系统当中尽可能采用较小的水流阻力，唯如此，水锤的计算才可能有一定的余量保证。因此系统所计算出来的实际扬程在大多数情况下，会比设计扬程低。

（3）在水锤波速的计算方面，会偏向较大的数值，也是余量的考虑范围之中。

（4）在本项目当中，由于管线口径较大，因此在计算阻力当中按国际习惯的取值进行计算。主要阻力计算公式为黑森·威廉母斯公式，其中C值取120。

2.2.3 水泵稳态工况

仅在水泵出口装设缓闭蝶阀，在水泵正常运行状态下得到的稳态水力坡度线，见图1。

2.2.4 瞬态模拟方案

根据泵站设备的运行工况要求，从实际阀门关闭时间的要求，由1s、2s、3s时间关闸，快速闸门分全关和90%（余10%缓关）、70%（余30%缓关）进行水击压力计算，也就是说分三种方案：方案一：1s关闭100%；方案二：2s关闭90%，6s关闭10%；方案三：3s关闭70%，10s关闭30%。

（1）方案一：1s关闭100%。

整条管线均存在负压及断流弥合水锤，关阀过快，放弃此关阀方案。

（2）方案二：2s关闭90%，6s关闭10%。

该方案大泵存在持续倒转及反复倒流的现象，且泵站升压过高，故该关阀方案不合适。

（3）方案三：3s关闭70%，10s关闭30%。

对比以上结果可知，方案三沿线及泵站无升压，水泵倒转及倒流量均在允许范围之内，只是在管线的局部高点存在微弱的负压。

结论是采用方案三，3s关闭70%，10s关闭30%，选择出口蝶阀，对管道的运行来说，比较安全。拟选用两阶段关闭的蝶阀。

2.3 水锤分析水锤安全防护措施

（1）水泵出口安装两阶段关闭的蝶阀

通过上述水锤瞬态模拟分析，出口装设两阶段缓闭蝶阀，合理设定开关时间可有效防护水锤。

图1 稳定水力坡度线

图2 方案一整条管线的水击包络图

图3 方案二大泵转速历时曲线

图4 方案二整条管线的水击包络线

图5 方案三大泵转速历时曲线

图6 方案二整条管线的水击包络线

水泵启动后，阀门缓慢开启，确保供水管线不会因为供水流量变化而产生正向水锤。水泵在关闭时，先关闭阀门，当阀门关闭完成后，再关闭水泵，从而避免因水泵关闭而发生的停泵水锤。

当事故停电，水泵失去驱动力，蝶阀按预定程序在3s快关70%行程，剩余30%行程在10s内关闭，从而降低水泵机组的反转转速和避免管道压力升高。

泵站安装水泵6台，设计在每台水泵出口管道上分别安装两阶段关闭蝶阀共6台。

（2）在两阶段关闭蝶阀后安装压力波动预止阀

虽然两阶段缓闭体现非常好的防水锤效果，但为了防止液控蝶阀拒动作，即防护失败的可能性，仍然需要后保护设备，在1＃～4＃水泵液控蝶阀下游各安装一台DN200（DN150为1＃、2＃机组）的水击泄放阀，设定开启压力为68m。该阀安装在泵站厂房外墙的主管道上，并用管道与泵站进水池相连，高压水可泄入池内。

该阀是一种自动控制阀，其作用是减少水泵因事故停电失去驱动力时在管道系统中所引起的压力波动，能够可靠的保护水泵和泵站。此阀是种导阀控制液压驱动的钢隔膜控制阀。当停泵后的第一个低压波到达阀门时，低压控制导阀自动开启，以使主阀随之开启，从而预防从管道系统返回的高压力波动。开启的主阀会将随之而来的高压力波排至大气，当系统压力恢复低压控制导阀的设定值上时，导阀本身将会关闭，导致主阀关闭，避免额外的损失系统的压力和水量。

（3）防水锤型空气阀

空气阀是管道系统中的重要附件，其作用是控制或调节系统中的空气，能够防止管道内存在的气体或者因缺少空气补偿而对系统运行产生的干扰和破坏。

空气阀为自动运行机构，它对过阀空气量及空气过阀流速的控制均根据系统的状况来自行完成。目前空气阀分为低压进排气阀，高压微量排气阀，组合式空气阀。

空气阀的口径选择，本阶段根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》规定，空气阀的口径宜取输水管道直径的1/8左右。按照水锤计算建议，在6台机组虹吸式出水管顶部均安装fig990防水锤型空气阀，规格DN150为3台，DN100为2台。