随着社会经济发展对水资源需求日益增加与水资源供需矛盾的凸显, 为了解决水资源供需矛盾, 近些年我国修建了大量的输水工程, 供水过程中暴露出诸多安全问题, 其中水锤问题尤为突出。尤其是在高扬程泵站中, 由于输水流量大、扬程高^[1], 当发生事故停泵时将会引发严重的水力过渡过程, 危及泵站和整个供水系统的安全。因此, 就高扬程泵站可能出现的水锤现象进行模拟计算、防护方案比较与分析, 提出了事故停泵水锤的防护措施与建议。

　　 目前, 液控蝶阀是国内外最先进的管路控制设备之一, 液控蝶阀不仅具有普通蝶阀的功能, 而且还能充当止回阀和闸阀使用, 并能有效地消除水锤很好地保护了管道输水系统。液控蝶阀其关阀规律是预先设定的, 一般是分两阶段进行阀门关闭, 一是快关阶段, 二是慢关阶段^[2]。快关阶段:蝶阀以极快的速度关阀至某一角度 (60~80°) , 这一阶段因受到回冲水流的影响迫使管道内的压力开始改变, 然阀门仍处于大开度状态其开度系数几乎没有什么变化, 因此可很好地降低管道升压和缓解管道内的降压^[3];慢关阶段:阀门以非常缓慢的速度进行关阀及至阀门完全关闭, 儒柯夫斯基公式表明水锤升压与管道内的流体速度变化率呈正相关关系, 这一阶段很好地控制了水体流速的变化率, 即控制了管道内水锤压力有效地缓解了水锤升压。在高扬程泵站输水系统中, 通过在泵出口安装液控蝶阀并设置好关阀规律^[4], 能够很好地对管道水流变化进行控制, 进而保护泵站不受停泵水锤带来的破坏。

　　 空气阀具有结构简单、低成本及安装方便等优点, 在实际泵站输水工程中广泛应用了真空破坏阀和注气排气阀这两种空气阀。真空破坏阀大多安装在易发生断流现象的驼峰、丘顶及膝部等管道处^[5], 一旦这些部位的压力低于大气压时, 阀门便开始向管道内充气, 以避免产生蒸汽或空气空腔, 但当水流开始弥合时其并不排除空气, 起到缓冲作用并具有一定的降压作用^[6];注气排气阀的注气机理与真空破坏阀相同, 排气则是在水流开始弥合时阀门仍然保持开启状态确保空气能够顺畅排出管道^[7], 进而能够很好地消减断流空腔再弥合水锤的破坏力。

　　 调压塔有单向调压塔、普通双向调压塔及箱式双向调压塔这3种。单向调压塔具有成本低、运行稳定及安装便捷等优点, 一般安装在主输水管道易发生水柱分离的管道处, 如驼峰、膝部、鱼背等处^[8]。当输水系统遇突发事故时, 这些位置首先产生负压, 单向调压塔能够及时向管道里注水可有效防止负压进一步增大避免水柱拉断现象的发生^[9]。

　　 超压泄压阀是预防管道升压的一类水力自动阀门, 有直动式超压泄压阀和先导式超压泄压阀两类。在泵出口的普通止回阀后面装设超压泄压阀有两个好处, 一是遇突然停泵事故时, 超压泄压阀通过泄水降压保护泵站内管道不受破坏^[10];二是安装了超压泄压阀并未拆除原有的普通止回阀, 在遇停泵事故时普通止回阀迅速关闭很好地保护了水泵机组不发生倒转避免水泵机组损坏^[11]。

　　 某石化厂外引水工程取水水源为一河流, 根据河流水位变幅和取水地形的特点, 本工程取水方式采用泵站取水, 从河边的调蓄水池直接泵送至厂区净水站。取水管道采用DN720的无缝碳钢管, 管线共分为3段。从调蓄水池至厂区净水站全线管长约12.7km;调蓄水池与厂区净水站的水位差为347.85m, 水池数据如表1所示, 此输水工程属于高扬程泵站输水。

　　 水泵选用多级卧式双吸离心泵, 单泵额定流量1 100m³/h, 额定扬程375m, 额定转速1 450r/min, 水泵机组转动惯量151.612kg·m², 配套电机功率1 600kW, 轴功率1 440kW, 泵房共布置2台水泵机组 (1用1备) , 其布置方式如图1所示。

　　 根据工程数据, 通过Hammer软件对此高扬程泵站输水工程进行敞开扬水与按需输水两种工况的稳态分析。敞开扬水指厂区净水站未设流量调节阀泵最大的输水能力, 敞开扬水时, 泵站总输水量为316.05L/s, 水泵工作扬程为368.20 m, 管道水流流速为1.12m/s, 沿程水头损失1.453m/km;按需输水指厂区净水站装设流量调节阀最大所需流量为305.56L/s, 按需输水时, 泵站总输水量为305.56L/s, 水泵工作扬程为376.89 m, 管道水流流速为1.08m/s, 沿程水头损失1.364m/km, 管道末端富余水头约11.59m。稳态分析结果如图2所示。

　　 由图2可知, 管道分布跨度大且多起伏, 整个管道布置有两个明显的高点, 遇停泵水锤事故时极易发生断流空腔再弥合水锤。

　　 针对按需输水 (305.56L/s) 时的停泵水锤进行分析, 泵出口管道上都安装了一个普通止回阀, 突然断电将迅速关闭以保护水泵机组, 水泵突然掉电时停泵水锤计算结果如图3所示。

　　 由图3可知, 事故停泵时泵出口产生的最大水锤升压其值为2 122.10 m, 减去此处管道高程1 595.00 m得管道受压值为527.10 m (即5.27MPa) 大于此处 (第1段) 管道的承压能力4 MPa, 且多处水锤升压大于管道承压能力这将导致管道破坏, 管道负压严重主要分布在第一个高点、第二个高点及末端管道这3处, 最大负压其值已达10 m (0.1 MPa) 超过了水体承拉能力极限以致第一个高点2 572m的水柱被拉断约产生了1 896L的蒸汽空腔, 将演化为断流空腔再弥合水锤。因此, 对于事故停泵需要采取一些措施以确保泵和管安全运行。

　　 正常输水时, 泵出口各安装一个液控蝶阀 (原设普通止回阀无效) , 关阀规律采用1.5s快关60%、65%、70%, 分别对全关时间采用60s、120s、180s、240s, 一共12种组合方式进行水锤防护分析;输水管道在2 327m、2 571m、5 910m、12 513m处各安装1个空气阀, 空气阀进气口径为120mm, 出气口径为6mm。在装设空气阀+泵端液控蝶阀后其停泵水锤防护效果如图4所示。

　　 采用空气阀+泵端液控蝶阀进行停泵水锤防护管道负压已基本消除, 但管道正压的降低随液控蝶阀的关阀规律不同存在较大的差异, 采用1.5s快关60%全关180s和1.5s快关60%、65%、70%全关240s这4种关阀方式可将水锤升压降低至管道承压能力范围内。

　　 根据空气阀+泵端液控蝶阀防护模拟结果可知, 蝶阀采用1.5s快关60%180s全关关阀规律能确保停泵水锤管道安全, 但其安全系数较低仍非最安全的防护方案。由于调压塔补水的效果比空气阀补气的效果好, 但鉴于调压塔建设成本较高, 因此只在管道2 571m处拟设置一个单向调压塔。分别设定调压塔补水管径为150mm、225mm、300mm, 其停泵水锤防护结果如图5所示。

　　 由图5可知, 单向调压塔补水管径为300 mm时对停泵水锤的防护效果最好, 不仅显著降低了水锤升压而且更加贴近稳态线;单向调压塔补水管径为150mm时, 虽然水锤升压降低明显负压提高也较好, 但是末尾管道仍有几处水锤升压比管道承压能力大且安装调压塔附近的管道负压明显;单向调压塔补水管径为225mm时其对停泵水锤防护的效果与补水管径为150mm相差无几。由此可得, 在调压塔储水量充足情况下宜选用补水管径为300mm的单相调压塔。

　　 根据无防护停泵水锤计算结果, 空气阀的数量、规格及位置同空气阀+泵端液控蝶阀防护方案, 在泵出口和管道79.42m、1 758.42m、4 454.87m、4 719.87m、7 936.92m、9 484.45m、9 934.84m、11 756.37m处个安装1个超压泄压阀, 其停泵水锤防护效果如图6所示。

　　 由图6可知, 采用空气阀+超压泄压阀对停泵水锤进行防护在水锤正压降低上有明显作用, 但因选择的管道承压能力较低以致泵出口段、+4 500m段及9 700m段的管道依旧可能受到水锤升压导致爆管现象;在水锤负压提高上, 空气阀+超压泄压阀联合防护效果极佳, 管道负压基本消除。综上所述, 空气阀+超压泄压阀防护是能够确保本工程遇突发性停泵水锤时泵站和管道安全, 即便此种防护方案存在一定的缺陷这都是因管道本身承压能力不足造成的, 总体上此方案是可行的。

　　 基于空气阀+超压泄压阀联合防护模拟结果, 在+2 571m处的增设单向调压塔, 其参数与调压塔+空气阀+泵断液控蝶阀防护方案相同, 停泵水锤防护效果如图7所示。

　　 采用调压塔+空气阀+超压泄压阀对停泵水锤进行防护在管道负压提高上与空气阀+超压泄压阀防护基本一样, 水锤正压降低上比空气阀+超压泄压阀防护较好, 消除了对4 500m段管道安全隐患, 但在泵出口段、9 700 m段的管道依旧可能受到水锤正压而发生爆管现象。

　　 综上所述, 调压塔+空气阀+超压泄压阀对本工程停泵水锤防护效果大体与空气阀+超压泄压阀效果相似, 水锤升压对管道安全仍然存在安全隐患, 总体上该方案是可行的。

　　 主要对高扬程长距离引水工程停泵水锤进行了计算和分析, 根据无防护停泵水锤计算结果选用相应的防护措施进行防护, 获得可靠的防护方案:

　　 (1) 本引水工程停泵水锤防护可采用空气阀+泵端液控蝶阀、调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀、空气阀+超压泄压阀、调压塔+空气阀+超压泄压阀这4种方案进行防护, 以防护效果为根本调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀防护效果最佳。

　　 (2) 本引水工程因管道承压等级选用未能达到行业标准 (1.3~1.5) P (P指管道正常工作压力) , 对于类似的输水工程若采用液控蝶阀、超压泄压阀来进行水锤防护, 则需延长蝶阀总关阀时间、调低超压泄压阀临界压力值。

　　 (3) 基于本引水工程停泵水锤4种防护方案对比可知, 将单向调压塔装设在起伏管道的最高点可有效提高起伏管道其他高点甚至整个管道的负压及降低停泵水锤带来的升压。