刘奕朗
中核华纬工程设计研究有限公司，南京 210019
摘要：现阶段我国越来越广泛的采用泵站进行压力流输出以解决城市需水问题。在输水过程中一旦发生停泵水锤将对输水管道和泵站造成严重破坏。在泵后设置空气罐是一种简单有效的水锤防护措施，可以有效的吸收压力波动并减小沿程负压。本文使用计算机程序对停泵水锤现象进行模拟，通过比较计算结果得出空气罐对停泵水锤防护能力的一般性结论，为空气罐的设计提供指导。
关键词：停泵水锤；空气罐；防护能力
Protection Study on Water Hammer of Pressure Flow Pipelines by Air Vessel
LIU Yilang
（Zhonghehuawei Engineering Design and Research Corporation, Ltd, Nanjing 210019, China）
Abstract：Pressure flow transmission of water with the benefit of pump station is more and more widely used in our country at the present stage. It will cause serious damage to pipeline and pump station once pump-stopping water hammer occurs. Setting an air vessel after the pump is a simple and effective protection measures, which can absorb pressure fluctuation and reduce the subpressure along the pipeline. This text simulates the pump-stopping water hammer using computer program, and get general conclusions on the protective capacities brought by air vessel to pump-stopping water hammer, providing guidance for air vessel design.
Keywords：pump-stopping water hammer； air vessel； protective capacities
0 引言
我国水资源分布在时空上具有极大的不均匀性，随着社会的发展，我国的很多大中城市越来越依赖从其他水源地调水以满足当地的工农业发展和人民生活需求。重力流输水有着运营成本低的特点，但其使用往往受限于地形，因此压力流输水方式得到了日益广泛的使用。在压力管流中因流速剧烈变化引起动量装换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象[1]。泵站中发生水锤事故，是较为普遍的，其中因雷击、人为误操作、电路故障等造成的停泵水锤危害较大，严重时甚至造成管道爆裂、淹没泵房。
空气罐是一种简单有效的水锤防护措施。在压力流输水管路中发生水锤时，空气罐可以向管路中补水以减小或消除管路中的负压，并可以有效的吸收压力波动以加速系统中水锤波的衰减。且空气罐具有占用空间小、造价低、维护简单的特点。其中气囊式空气罐在一次充气后可以长期使用，且可以防止罐中的气体进入输水系统。本文结合实际工程，通过计算机程序对压力流输水系统中的水锤进行模拟，比较不同空气罐尺寸对水锤压力的影响并得出相关结论。
1 数学模型
1.1 压力管道的控制方程及特征线方程
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2 算例分析
2.1 基本资料
某压力流输水项目，管道全长为16.4km，采用DN800球磨铸铁管。前池设计水位为126.26m，末端水池设计水位为238m。2台水泵并联，水泵设计扬程为151.80m，水泵型号为OTS250-800A/1-2。每台水泵后设有一DN800缓闭式液控蝶阀，根据已有的工程经验[3][4][5][6]，发生停泵水锤时，缓闭式液控蝶阀从0~15s关闭至75%，15s~215s缓慢关闭至100%。图 为两台水泵同时突然停泵时管路的沿程测压管水头包络线，其中最大压力为2.027MPa，出现在泵站出口处。沿程管路多处负压达到-0.098MPa，即出现水柱拉断现象。可见在无防护措施的情况下一旦出现停泵水锤将对整个输水系统造成较大破坏。
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图2 沿程测压管水头包络线（不设空气罐）
2.2 比较不同空气罐尺寸对沿程水锤压力的影响
在两台水泵的缓闭式液控蝶阀后各设一台空气罐，计算不同空气罐体积和孔口直径对沿程水锤压力的影响。所有工况中管路处于稳态运行时，气囊内的气压均为1.301MPa。根据工程经验[7][8][9][10]，将罐内的稳态运行时的气体体积初步定为总体积的50%。工况说明及计算结果见表1。从表中沿程最大压力可以看出，相同孔口直径的工况对应的沿程最大压力基本相同。空气罐孔口直径越大则沿程最大压力越大，根据工程经验这是因增大了水锤波的发射造成的。
图3为不同工况对应的沿程测压管水头包络线。图中显示，发生水锤时所有工况的沿程最大压力均出现在泵站出口处。空气罐体积相同时，孔口直径越大，沿程负压越小，这是因为增大孔口直径减小了水体流出时的阻力，使得在发生停泵水锤时空气罐对管路的补水能力增强。当孔口直径相同时，25m3的空气罐相比16m3空气罐对应的工况沿程压力，尤其是管路后半段压力较小，这是主要是由于空气罐中的气体体积更大，所造成的缓冲效果也更明显。
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图3 沿程测压管水头包络线
发生停泵水锤时泵站出口处的压力波动情况如图4。图4中（a）、（b）图都显示，相比泵后不设空气罐的情况，泵后设空气罐时，泵站出口的压力波动范围会大幅减小、波动的衰减也明显加快。图中也显示，空气罐孔口直径越大，泵站出口处的最小压力越大，这和从图3中得出增大孔口直径可以提高空气罐对管道的补水能力的结论是一致的。对比图4中的（a）图和（b）图，可以看出泵后设有25m3空气罐相比16m3空气罐泵站出口处波动的周期要稍长，这也是由于前者罐内气体体积更大带来的缓冲能力更强造成的。
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4 结论
压力流输水过程中一旦出现停泵水锤将产生严重危害，在泵后设置空气罐可以带来很好的防护作用。通过分析算例的计算结果，可以得出以下结论：（1）空气罐孔口直径增加时会在一定程度上增加水锤波的反射，从而导致沿程最大压力升高，但相比不设空气罐的情况，沿程最大压力仍然得到明显消减；（2）增大空气罐的孔口直径可见减小水体流入、流出空气罐时的阻力，从而增强空气罐对管路的补水能力，可以有效减小沿程负压；（3）增大空气罐内的气体体积可以增强空气罐对压力波动的吸收能力，并增强波动的衰减效果。
参考文献：
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