摘要：結(jié)合供水工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)水錘防護(hù)措施為單向調(diào)壓塔和排氣補(bǔ)氣閥，對(duì)產(chǎn)生水柱分離的部位能夠進(jìn)行直接補(bǔ)水，起到了最為直接和有效的防負(fù)水錘作用。
　　關(guān)鍵詞：供水管道；水錘；防護(hù)
　　某生態(tài)移民一期供水工程為長(zhǎng)距離兩級(jí)泵站提水工程．工程全長(zhǎng)逾20km．采用無調(diào)節(jié)全封閉式管道系統(tǒng)。由于地形起伏變化大．沿線供水管道采用封閉式“剛性”串聯(lián)連接。使用的水錘防護(hù)措施為武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院研究制定的單向調(diào)壓塔和排氣補(bǔ)氣閥。通過4年的應(yīng)用驗(yàn)證：該水錘防護(hù)措施能有效地防止水錘事故的發(fā)生，對(duì)產(chǎn)生水柱分離的部位能夠進(jìn)行直接補(bǔ)水，消除“水柱分離及再?gòu)浐?rdquo;現(xiàn)象，起到了最為直接和有效的防負(fù)水錘作用。
　　一、使用管道水錘防護(hù)措施的必要性
　　供水工程輸水管道在鋪設(shè)中存在局部凸起和變坡，如果發(fā)生事故停泵，這些管段凸起部位中的水體將最先汽化。引起管道與水力機(jī)械的氣蝕，進(jìn)而產(chǎn)生“水柱分離”；一旦這種分離的水柱重新彌合，將在管道中形成“彌合水錘”．引起管道壓力的巨大上升。甚至導(dǎo)致爆管現(xiàn)象的發(fā)生，使管道與泵站建筑物遭受破壞，并嚴(yán)重危及供水工程及沿線人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，在水錘防護(hù)的總體設(shè)計(jì)思路中。應(yīng)適當(dāng)在管道中增加調(diào)壓措施。即根據(jù)水力過渡過程的計(jì)算結(jié)果，合理地設(shè)置補(bǔ)水與調(diào)壓設(shè)施，使之直接、有效地防止水柱分離產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞。
　　通過對(duì)主水泵的全特性曲線、水泵端的水頭平衡、泵出口閘閥的壓力水頭損失、水泵機(jī)組慣性作用、水泵端邊界條件的影響計(jì)算以及對(duì)紅山石泵站前池水力過度、管道水柱分離、常規(guī)水錘、水錘防護(hù)措施邊界條件等多種方式進(jìn)行組合計(jì)算和邏輯推理，并對(duì)水錘防護(hù)措施應(yīng)用效果進(jìn)行各種預(yù)測(cè)．最終確定使用聯(lián)合防護(hù)效果最佳的單向調(diào)壓塔結(jié)合排氣補(bǔ)氣閥。
　　二、管道水錘防護(hù)措施的布置
　　管道的布置，按照國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定及參考國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)，將管線設(shè)置在最低壓坡線以下。最低壓坡線是指在各種不利條件下，當(dāng)出現(xiàn)事故停泵水力過渡過程時(shí)，管道中各點(diǎn)最小水錘壓力的連線。按此要求，在管道設(shè)計(jì)中允許管道內(nèi)部存在部分負(fù)壓，但負(fù)壓值一般控制在-5～-7m以上，不致產(chǎn)生液柱分離。
　　1．泵站甲水錘設(shè)施布置
　　泵站沿線管道緩坡直行．起伏變化不大．管線總長(zhǎng)5.7km，結(jié)合該站輸水系統(tǒng)管線布置的特點(diǎn)．根據(jù)計(jì)算得出的不同位置的水柱分離體積．沿線每間隔500m設(shè)置排氣補(bǔ)氣閥1個(gè)，共設(shè)置l2個(gè)排氣補(bǔ)氣閥，1座調(diào)壓塔。
　　泵站乙水錘設(shè)施布置
　　泵站管線長(zhǎng)l6.8km，局部凸起點(diǎn)和變坡點(diǎn)較多．結(jié)合該站輸水系統(tǒng)管線布置的特點(diǎn)．根據(jù)計(jì)算得出的不同位置的水柱分離體積，共設(shè)置24個(gè)排氣補(bǔ)氣閥．垂直距離每升高6m設(shè)置調(diào)壓塔1座，共設(shè)置3座調(diào)壓塔。
　　3.調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝位置
　　供水水源工程供水管道全長(zhǎng)24．5km．沿線共設(shè)置36個(gè)排氣補(bǔ)氣閥，4座單向調(diào)壓塔。
　　三、水錘防護(hù)措施應(yīng)用效果分析
　　針對(duì)兩泵站機(jī)組停機(jī)時(shí)閥后壓力的變化情況共做了l0組趨勢(shì)分析，變化規(guī)律完全相同。選用其中一種工況進(jìn)行分析。
　　1．兩級(jí)泵站機(jī)組單機(jī)停機(jī)時(shí)水錘防護(hù)措施應(yīng)用分析
　　 泵站甲#5#6兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行停機(jī)時(shí)水錘壓力變化和泵站乙#1#2機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行停機(jī)時(shí)水錘壓力變化如圖1和圖2所示。
　　由圖示可以看出，泵站甲#5機(jī)組和泵站乙#1單機(jī)停機(jī)時(shí)，泵出口液控閥快關(guān)70度．關(guān)閉前35s，P5(閥后壓力)緩慢下降，電機(jī)斷路器跳閘后，壓力下降加快，屬于關(guān)閥降壓階段。通過參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)觀察，水泵無倒轉(zhuǎn)、倒流現(xiàn)象發(fā)生。水泵正常停運(yùn)。由于管道壓力此時(shí)低于調(diào)壓塔內(nèi)的作用水頭，水直接從單向調(diào)壓塔向管道補(bǔ)充，使壓力下降得到緩解，管線中無水柱分離現(xiàn)象發(fā)生。排氣補(bǔ)氣閥作為水錘防護(hù)手段的輔助防護(hù)措施，在停泵后水錘負(fù)壓階段空氣仍然將通過排氣補(bǔ)氣閥流人管內(nèi)，由于此時(shí)流入的空氣量很小，對(duì)水錘波傳播速度的影響非常小。但使管道中產(chǎn)生極大的局部壓力，排氣閥此時(shí)充分進(jìn)行管道排氣．對(duì)改善管線中水柱分離及再?gòu)浐掀鸬揭欢ǖ淖饔茫�但效果比單向調(diào)壓塔要差。
　　通過采集數(shù)據(jù)對(duì)比，泵站甲泵出口閥后的最小壓力最低降至0.255MPa．泵站乙泵出口閥后的最小壓力最低降至0.182MPa．液控閥慢關(guān)20度時(shí)，P5(閥后壓力)逐漸升高，液控閥全關(guān)到位時(shí)，泵站甲泵出口閥后的最大壓力達(dá)到0.998MPa．泵站乙泵出口閥后的最大壓力達(dá)到0.957MPa．壓力波經(jīng)過一個(gè)周期的變化，管道水錘壓力變化逐漸平穩(wěn)。由此看出．供水工程管線中單向調(diào)壓塔的設(shè)置不僅可以對(duì)事故停泵水力過渡過程進(jìn)行水錘防護(hù)，對(duì)正常停機(jī)過程中可能出現(xiàn)的管道首端關(guān)閥水錘也能起到有效的防護(hù)作用。
　　2．兩級(jí)泵站機(jī)組并聯(lián)停機(jī)時(shí)水錘防護(hù)措施消除水錘變化分析
　　由圖1、2可以看出：
　　1泵站甲停機(jī)時(shí)閥后壓力變化圖
　　2泵站乙停機(jī)時(shí)閥后壓力變化圖
　�、�#5機(jī)組停機(jī)時(shí)，#6機(jī)組在運(yùn)行，此時(shí)壓力變化較穩(wěn)定．當(dāng)剩下的#6機(jī)組停運(yùn)后壓力變化起伏明顯。機(jī)組開始停運(yùn)時(shí)變化趨勢(shì)與#5機(jī)組相同，P5壓力緩慢下降。斷路器跳閘后壓力下降加快，最低降至0.223MPa．液控閥慢關(guān)20度時(shí)，P5壓力逐漸升高，中間段壓力有波動(dòng)，液控閥全關(guān)到位時(shí)，最高升至1.312MPa后開始下降，壓力波周期時(shí)間為30s．經(jīng)過9min、26個(gè)周期以后，壓力振蕩波仍沒有完全消除。由于本工程電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家提出的電動(dòng)機(jī)允許倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1．25倍，水泵出口液控閥在停泵過程中能可靠關(guān)閉，從壓力波的變化中看出．出現(xiàn)了不同程度的倒流現(xiàn)象，有正常的機(jī)組倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，說明調(diào)壓設(shè)施起到了較好的水錘防護(hù)作用。
　　②#1機(jī)組停機(jī)時(shí)，#2機(jī)組在運(yùn)行，此時(shí)壓力變化比較穩(wěn)定，當(dāng)剩下的#2機(jī)組停運(yùn)后壓力變化起伏明顯。#2機(jī)組開始停運(yùn)時(shí)變化趨勢(shì)與#1機(jī)組相同，P5壓力緩慢下降，斷路器跳閘后壓力下降加快，管線中出現(xiàn)的最低水錘壓力大大超過管道的設(shè)計(jì)工作壓力，管線中的3處凸起點(diǎn)分別設(shè)置的單向調(diào)壓塔及時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)水和調(diào)壓，管線中出現(xiàn)的水柱分離點(diǎn)的空穴體積占該段水體體積的百分比很少，氣化持續(xù)的時(shí)間縮短，使管線中的水錘壓力可以得到有效控制，不會(huì)形成水柱中斷和過大的彌合水錘，這表明寧東供水工程采取的水錘防護(hù)措施十分合理有效。由于水泵出口閥出水側(cè)設(shè)置150s線性關(guān)閉，在兩階段關(guān)閥時(shí)閥門能夠可靠關(guān)閉，最大水錘壓力升至1.063MPa，最低降至0.134MPa，液控閥慢關(guān)20度時(shí)，P5壓力逐漸升高，中間段壓力有波動(dòng)，液控閥全關(guān)到位時(shí)，壓力升到最高后開始下降，壓力波在經(jīng)過三個(gè)周期的變化后，管道水錘壓力逐漸平穩(wěn)，機(jī)組有正常的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
　　 四結(jié)束語
　　 機(jī)組并聯(lián)過程中單機(jī)停機(jī)時(shí)，由于有一臺(tái)機(jī)組仍在抽水，管道中有后續(xù)的水體，此時(shí)水體的動(dòng)能大于勢(shì)能，管道的彈性壓縮能較小，兩泵站管道壓力變化波動(dòng)不大，管線中的凸起點(diǎn)設(shè)置的單向調(diào)壓塔工作及時(shí)可靠，可有效地減弱管線中彌合水錘壓力，并將最大水錘壓力控制在《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》所要求的范圍內(nèi)，從而減少管壁厚度，管道水錘壓力變化在1~2個(gè)周期之內(nèi)趨于平穩(wěn)，水錘壓力幅值變化也比較小。
　　 機(jī)組并聯(lián)停運(yùn)，停運(yùn)第二臺(tái)機(jī)組時(shí)，由于水體要保持自身向上的流動(dòng)的慣性，此時(shí)已無后續(xù)的水體，壓力逐漸下降，由于水體以極大的勢(shì)能將管道大量的水量順管道倒泄而下，沖撞液控閥，此時(shí)液控閥已全關(guān)，水體無法泄出，管道中水體流動(dòng)的動(dòng)能與倒泄的勢(shì)能全部轉(zhuǎn)換為水體的彈性壓縮能，壓迫液控閥，膨脹管壁，此時(shí)單機(jī)停機(jī)時(shí)水錘壓力周期多，且幅值變化也比較大，水錘破壞作用最大。金水源泵站管線起伏不大，管道水錘壓力不容易在短時(shí)間內(nèi)消除。

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