王從余

（山西萬家寨水控水資源有限公司）

在抽水裝置中，經(jīng)常會發(fā)生水錘現(xiàn)象，主要原因有：機組啟動和停車、水泵轉速調節(jié)、閥門啟閉和事故失電停泵等，其中對水泵安全運行影響最大的是事故失電停泵形成的水錘。上世紀60年代，很少出現(xiàn)水錘對泵站構成威脅的現(xiàn)象，主要原因為這個時期的泵站流量較小，揚程較低，管路的安全儲備大。近30 a 來，我國興建了大量揚程高、流量大和管路長的泵站，水泵機組逐漸發(fā)展為大型、高壓和高速化，事故失電停泵引起的水錘對泵站安全的威脅大幅增加。因此，當前在泵站工程設計中要尤其注意停泵水錘分析，并設計有效的防護措施。本文以萬家寨引黃工程泵站為例進行了分析，以期為我省水泵工程設計提供一定的理論支持。

1 工程基本情況

山西省萬家寨引黃工程是山西省有史以來最大的水利工程，可有效解決我省太原、大同和朔州等三市的工業(yè)及生活用水。該工程線路總長達452.4 km，目前我國5 座最大的水泵站均建設在該工程，總揚程達636 m。另外，該5 座泵站還裝設有目前國內(nèi)44 臺最大的水泵電動機組。

2 供水輸水管道水錘研究思路

首先，針對水錘進行詳細計算，系統(tǒng)掌握供水輸水管道系統(tǒng)管路壓力的變動情況；其次，圍繞關閉水閥以及所產(chǎn)生的水錘問題展開系統(tǒng)的探究，明確系統(tǒng)水泵總值，提出閥門關閉方案；最后制定水錘維護方案。

3 水錘分析與計算

3.1 技術供水基本技術參數(shù)

流速為0.2 m3/s，進水和出水水位差340 m，出水管軸心標高350 m。在泵站當中加裝的離心泵臺數(shù)共計三個，其中有兩臺屬于正常運行的狀態(tài)，另外一臺水泵處于備用狀態(tài)，每小時供水量60 m3，總里程50 m。水泵既定里程在48 m 左右，每小時既定水流量維持在200 m3左右。

3.2 水錘波傳播速度

鋼筋混凝土管體積彈性系數(shù)230 kg/m3，彈性模數(shù)超過2 100 Pa，水錘波速理論如下公式：

式中：K 為體積彈性系數(shù)，m3，E 為彈性，模數(shù)，Pa，ρ 為水的密度。

由式（1）計算得到，鋼筋混凝土管水錘波速為600 m/s。

3.3 管道摩阻系數(shù)

假定管道處于正常運行的狀態(tài)，由下式計算摩阻系數(shù)

式中：l 為管道的長度，m，d 為管道直徑，mm，v 為界面的流速均值，m3/s，g 為重力加速度，m/s2，λ 為摩擦力、阻力系數(shù)，N。

該工程所用鋼筋混凝土管道管徑為600 mm，由式（2）計算得到摩阻系數(shù)：單管流量為0.194 7 m3/s時，管徑600 mm 的沿程水頭損失為0.615 m/km。

3.4 水錘計算與分析

水錘所代表的是管道流速變動所形成的壓力層面的變動，由下式計算

式中：ΔH 為壓力變化，Pa；ΔV 為水流速度變化，m/s，取值250 m/s～500 m/s；C 為波速，m/s，取值600 m/s，g 為重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2。

通過上述公式可以看出：在水流速度變化幅度相同的情況下，增大水錘波速，水錘隨之增大，即壓力變化幅度變大。但在工程實際中，實際壓力波要小于計算的理論值，這可能是由于管道彈性的不同造成的。本文通過以下方案研究管道產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象，首先，固定緩沖排氣閥閉合流速；其次，通過改變緩閉止回閥的關閥時間，分析該管道產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象。水泵緩沖閉合流速分0.3 m/s 和0.5 m/s 兩種工況；緩閉止回閥分快關和全關兩種工況，其中，快關分10 s 和20 s 兩種情景，全關分120 s、180 s、360 s 三種情景。經(jīng)過計算與觀測，參照同類泵站相關技術數(shù)據(jù)，查閱該時間點管中心樁線最高包絡圖和最低包絡圖相關數(shù)據(jù)，得到表1。

表1 各時間點管中心樁線最高包絡圖和最低包絡圖相關數(shù)據(jù) 單位：Pa

從表1 可以看出，在緩沖閉合流速在0.3 m/s 和0.5 m/s 兩種工況下，突然停泵時管路前段升壓都比較大，通過調整緩閉止回閥的關閥時間效果并不明顯。經(jīng)過比選，在緩閉止回閥關閥時間為快關20 s、全關360 s，緩沖閉合流速為0.5 m/s 的工況下，升壓值相對較小，最高為652 m/s，最低為340 m/s。

4 水錘防護方案

有效削減水錘壓力上升的方式主要有以下兩種：第一種方式是確保排氣閥的整體性能有效落實排氣。第二種方式是將管道中的壓力維持在既定的范疇之中。從安全性以及經(jīng)濟性方面考慮，有必要在水泵出口處加裝雙向調節(jié)壓力設備，盡可能削減管道當中的壓力，在調壓設備的作用下能夠在較短的時間內(nèi)完成管道補水任務，有效降低管道負壓形成的可能性，有效緩和水錘升壓。管路中水錘壓力不斷上升時，可以將高壓水流作用到調壓塔里面。

5 結論

（1）調整緩沖閉合流速及緩閉以回閥關閥時間對減緩水錘波速效果并不明顯。（2）借助回閥關閉時間進行調節(jié)無法對水錘壓力實施系統(tǒng)的管控，因此，有必要在水泵出口加裝相應的調壓設備，每隔一段距離加裝相應的排氣閥，可對水錘升壓進行系統(tǒng)地管控，確保管道運行是建立在安全性原則的基礎之上。