供水管道水锤防护措施

　　摘要：结合供水工程项目，设计水锤防护措施为单向调压塔和排气补气阀，对产生水柱分离的部位能够进行直接补水，起到了最为直接和有效的防负水锤作用。
　　关键词：供水管道；水锤；防护
　　某生态移民一期供水工程为长距离两级泵站提水工程．工程全长逾20km．采用无调节全封闭式管道系统。由于地形起伏变化大．沿线供水管道采用封闭式“刚性”串联连接。使用的水锤防护措施为武汉大学动力与机械学院研究制定的单向调压塔和排气补气阀。通过4年的应用验证：该水锤防护措施能有效地防止水锤事故的发生，对产生水柱分离的部位能够进行直接补水，消除“水柱分离及再弥合”现象，起到了最为直接和有效的防负水锤作用。
　　一、使用管道水锤防护措施的必要性
　　供水工程输水管道在铺设中存在局部凸起和变坡，如果发生事故停泵，这些管段凸起部位中的水体将最先汽化。引起管道与水力机械的气蚀，进而产生“水柱分离”；一旦这种分离的水柱重新弥合，将在管道中形成“弥合水锤”．引起管道压力的巨大上升。甚至导致爆管现象的发生，使管道与泵站建筑物遭受破坏，并严重危及供水工程及沿线人民生命财产的安全。因此，在水锤防护的总体设计思路中。应适当在管道中增加调压措施。即根据水力过渡过程的计算结果，合理地设置补水与调压设施，使之直接、有效地防止水柱分离产生的严重破坏。
　　通过对主水泵的全特性曲线、水泵端的水头平衡、泵出口闸阀的压力水头损失、水泵机组惯性作用、水泵端边界条件的影响计算以及对红山石泵站前池水力过度、管道水柱分离、常规水锤、水锤防护措施边界条件等多种方式进行组合计算和逻辑推理，并对水锤防护措施应用效果进行各种预测．最终确定使用联合防护效果最佳的单向调压塔结合排气补气阀。
　　二、管道水锤防护措施的布置
　　管道的布置，按照国家相关设计规范的规定及参考国内有关文献，将管线设置在最低压坡线以下。最低压坡线是指在各种不利条件下，当出现事故停泵水力过渡过程时，管道中各点最小水锤压力的连线。按此要求，在管道设计中允许管道内部存在部分负压，但负压值一般控制在-5～-7m以上，不致产生液柱分离。
　　1．泵站甲水锤设施布置
　　泵站沿线管道缓坡直行．起伏变化不大．管线总长5.7km，结合该站输水系统管线布置的特点．根据计算得出的不同位置的水柱分离体积．沿线每间隔500m设置排气补气阀1个，共设置l2个排气补气阀，1座调压塔。
　　泵站乙水锤设施布置
　　泵站管线长l6.8km，局部凸起点和变坡点较多．结合该站输水系统管线布置的特点．根据计算得出的不同位置的水柱分离体积，共设置24个排气补气阀．垂直距离每升高6m设置调压塔1座，共设置3座调压塔。
　　3.调压塔结构参数及安装位置
　　供水水源工程供水管道全长24．5km．沿线共设置36个排气补气阀，4座单向调压塔。
　　三、水锤防护措施应用效果分析
　　针对两泵站机组停机时阀后压力的变化情况共做了l0组趋势分析，变化规律完全相同。选用其中一种工况进行分析。
　　1．两级泵站机组单机停机时水锤防护措施应用分析
　　泵站甲#5#6两台机组并联运行停机时水锤压力变化和泵站乙#1#2机组并联运行停机时水锤压力变化如图1和图2所示。
　　由图示可以看出，泵站甲#5机组和泵站乙#1单机停机时，泵出口液控阀快关70度．关闭前35s，P5(阀后压力)缓慢下降，电机断路器跳闸后，压力下降加快，属于关阀降压阶段。通过参数及现场观察，水泵无倒转、倒流现象发生。水泵正常停运。由于管道压力此时低于调压塔内的作用水头，水直接从单向调压塔向管道补充，使压力下降得到缓解，管线中无水柱分离现象发生。排气补气阀作为水锤防护手段的辅助防护措施，在停泵后水锤负压阶段空气仍然将通过排气补气阀流人管内，由于此时流入的空气量很小，对水锤波传播速度的影响非常小。但使管道中产生极大的局部压力，排气阀此时充分进行管道排气．对改善管线中水柱分离及再弥合起到一定的作用，但效果比单向调压塔要差。
　　通过采集数据对比，泵站甲泵出口阀后的最小压力最低降至0.255MPa．泵站乙泵出口阀后的最小压力最低降至0.182MPa．液控阀慢关20度时，P5(阀后压力)逐渐升高，液控阀全关到位时，泵站甲泵出口阀后的最大压力达到0.998MPa．泵站乙泵出口阀后的最大压力达到0.957MPa．压力波经过一个周期的变化，管道水锤压力变化逐渐平稳。由此看出．供水工程管线中单向调压塔的设置不仅可以对事故停泵水力过渡过程进行水锤防护，对正常停机过程中可能出现的管道首端关阀水锤也能起到有效的防护作用。
　　2．两级泵站机组并联停机时水锤防护措施消除水锤变化分析
　　由图1、2可以看出：
　　1泵站甲停机时阀后压力变化图
　　2泵站乙停机时阀后压力变化图
　　①#5机组停机时，#6机组在运行，此时压力变化较稳定．当剩下的#6机组停运后压力变化起伏明显。机组开始停运时变化趋势与#5机组相同，P5压力缓慢下降。断路器跳闸后压力下降加快，最低降至0.223MPa．液控阀慢关20度时，P5压力逐渐升高，中间段压力有波动，液控阀全关到位时，最高升至1.312MPa后开始下降，压力波周期时间为30s．经过9min、26个周期以后，压力振荡波仍没有完全消除。由于本工程电动机生产厂家提出的电动机允许倒转转速为额定转速的1．25倍，水泵出口液控阀在停泵过程中能可靠关闭，从压力波的变化中看出．出现了不同程度的倒流现象，有正常的机组倒转现象，说明调压设施起到了较好的水锤防护作用。
　　②#1机组停机时，#2机组在运行，此时压力变化比较稳定，当剩下的#2机组停运后压力变化起伏明显。#2机组开始停运时变化趋势与#1机组相同，P5压力缓慢下降，断路器跳闸后压力下降加快，管线中出现的最低水锤压力大大超过管道的设计工作压力，管线中的3处凸起点分别设置的单向调压塔及时进行了补水和调压，管线中出现的水柱分离点的空穴体积占该段水体体积的百分比很少，气化持续的时间缩短，使管线中的水锤压力可以得到有效控制，不会形成水柱中断和过大的弥合水锤，这表明宁东供水工程采取的水锤防护措施十分合理有效。由于水泵出口阀出水侧设置150s线性关闭，在两阶段关阀时阀门能够可靠关闭，最大水锤压力升至1.063MPa，最低降至0.134MPa，液控阀慢关20度时，P5压力逐渐升高，中间段压力有波动，液控阀全关到位时，压力升到最高后开始下降，压力波在经过三个周期的变化后，管道水锤压力逐渐平稳，机组有正常的倒转现象。
　　四结束语
　　机组并联过程中单机停机时，由于有一台机组仍在抽水，管道中有后续的水体，此时水体的动能大于势能，管道的弹性压缩能较小，两泵站管道压力变化波动不大，管线中的凸起点设置的单向调压塔工作及时可靠，可有效地减弱管线中弥合水锤压力，并将最大水锤压力控制在《泵站设计规范》所要求的范围内，从而减少管壁厚度，管道水锤压力变化在1~2个周期之内趋于平稳，水锤压力幅值变化也比较小。
　　机组并联停运，停运第二台机组时，由于水体要保持自身向上的流动的惯性，此时已无后续的水体，压力逐渐下降，由于水体以极大的势能将管道大量的水量顺管道倒泄而下，冲撞液控阀，此时液控阀已全关，水体无法泄出，管道中水体流动的动能与倒泄的势能全部转换为水体的弹性压缩能，压迫液控阀，膨胀管壁，此时单机停机时水锤压力周期多，且幅值变化也比较大，水锤破坏作用最大。金水源泵站管线起伏不大，管道水锤压力不容易在短时间内消除。