刘 亚 明，杨 德 明，高 洁，刘 春 烨
(太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024)
摘要：以山西省长治市庄头泵站为例，针对供水工程倒虹吸管段出现的水锤压力过大的情况，采用数值模拟的方法，分别模拟了两阶段关闭液控蝶阀单独防护水锤、超压泄压阀单独防护水锤与液控蝶阀和超压泄压阀联合防护水锤的压力管路情况。对比分析了3种防护措施下的管路技术指标。分析结果表明：两阶段关闭液控蝶阀单独防护水锤与超压泄压阀单独防护水锤的效果均不明显，管路最大水锤压力仍不满足规范要求；而采取液控蝶阀和超压泄压阀的联合防护措施，能够有效地降低水锤压力，保证供水工程的安全运行。提出的液控蝶阀和超压泄压阀联合防护水锤的方法，可以为庄头泵站的安全运行提供技术支持，同时，也可为其他类似泵站的水锤防护提供参考。
关 键 词：升压水锤； 水锤防护； 液控蝶阀； 超压泄压阀； 倒虹吸； 庄头泵站
我国水资源时空分配极为不均，长距离、大流量的供水工程已经逐渐成为我国解决这种矛盾的主要方式[1]。许多长距离供水工程出于地形因素的考虑，把部分管段设置成倒虹吸状态。在这种状态下，极易造成泵出口处正压过大的情况；而水泵出口处的压力计算是输水系统水力过渡过程的重点问题，对其防护也是难点问题[2]。对于升压水锤，《泵站设计规范》正文9.4.4中明确提出：“高扬程、长压力管道的泵站，泵出口处工作阀门宜选用两阶段关闭的液控操作阀[3]。”但是在长距离输水管道中，常常由于水锤时间的周期大于液控蝶阀的第二阶段关闭时间，管道内的正压还没有完全消除，阀门就已完全关闭，这样就导致两阶段液控蝶阀并不能完全消除管道内的水锤压力。
张立春等人在研究中提出，在供水管路的局部压力高点处设置超压泄压阀来防护正压过大的情况[4]，但是没有经过相关的水力过渡过程的模拟计算。杨玉思等人针对长距离输水管道中水锤压力过大的情况，提出了在管路上安装超压泄压阀的防护措施[5-7]。但是超压泄压阀常常会发生延迟动作的现象，对于缓慢升压水锤防护类型的防护效果较好，而对于瞬时升压的水锤几乎没有效果。
本文以山西省庄头泵站为例，针对庄头泵站倒虹吸管段存在的水锤压力偏大的情况，提出了采用两阶段关闭液控蝶阀和超压泄压阀联合防护的措施，来消除供水工程中的升压水锤现象。本文研究成果可为庄头泵站的水锤防护提供指导，同时也可为泵站升压水锤的防护提供一种新的方法。
2.1 液控蝶阀的边界条件
水力过渡过程是水流、机电系统相互影响的过程，其计算合理与否，关系到供水工程的运行安全[8]。目前，水力过渡过程的计算多采用特征线法。采用特征线法来计算水力过渡过程，是因为特征线法易满足数值计算解收敛的稳定条件和建立各类边界条件方程；同时，考虑到管道的摩阻损失，则该方法具有易于编制电算程序且计算精度高的优点[9]。针对安装液控蝶阀和超压泄压阀的断面，除了应用特征线方程以外，还需要根据边界条件来联立求解。液控蝶阀的过阀水头损失的数学表达式为
ΔH阀=CVQ2ν│ν│
(1)
式中，阀门的阻力特性系数CV利用下式计算。即
CV=
(2)
式(1)和式(2)中，ν为水泵的相对流量，ν=Q/Qn，Qn为水泵的额定流量，m3/s；ζ为阀板某一关闭角度时阀门的阻力系数；AV为阀门某一关闭角度时的实际过流面积，m2。
则水泵出口端的扬程方程式为
H=Hs+Hp-ΔH阀
(3)
式中，H为水泵出口端的扬程，m；Hs为进水池在基准面以上的高度，m；Hp为时段末的水泵扬程，m；ΔH阀为液控蝶阀的过阀水头损失，m。
2.2 超压泄压阀的边界条件
超压泄压阀实质上就是一种超压保护装置。当管路系统发生水锤压力升高到超过设定的允许值时，阀门会自动开启，以防止水锤压力在管路内继续升高。由连续性原理可得到超压泄压阀的边界条件为
HP1=HP2=HP3
(4)
QP1+QP2+QP3=0
(5)
式中，QP1，QP2，QP3分别为超压泄压阀上、下游阀处的流量，m3/s；HP1，HP2，HP3分别为超压泄压阀上、下游及阀处的压力，m。
当管道压力HP小于超压泄压阀启动压力Hx时，QP3=0;当管道压力超过超压泄压阀启动压力时，泄压阀的进出口处有
QP3=CdAG
(6)
式中,Cd为流量系数；AG为开口面积，m2；H0为管道外部压力，m。
庄头泵站位于山西省长治市，泵站安装有型号为SLOW500-1050AT的水泵5台(4工1备)，单泵设计流量为1 m3/s，设计扬程为124 m，额定扬程为132.57 m。总装机容量为9 000 kW。出水总管直径为2 m，材质为长约3.6 km的PCCP管，是典型的长距离、大流量、高扬程泵站。
由于受到地形因素的限制，因此在设计时，将泵站出口断面(X0+000.0)到桩号X0+623.6共计623.6 m长的管段，设计为倒虹吸管路。泵站的管线断面分布情况如图1所示。倒虹吸管段由于管路随地形变化有较大的起伏，容易造成输水管路水锤压力偏大的情况，这就给泵站的安全运行带来了极大的隐患。因此，应对其采取适当的水锤防护措施，以降低倒虹吸管段的水锤压力。
图1 泵站管线纵断分布
4.1 阀门拒动作时的压力分布情况
经分析，该泵站的选泵合理，以4台SLOW500-1050AT型的水泵并联运行工况为例，进行水力过渡过程数值模拟计算。阀门拒动作后，其倒虹吸管段压力分布情况如表1所示。
表1 倒虹吸管段阀门拒动作时断面压力分布情况 m
断面号最大压力断面号最大压力X0+000.0197.94X0+415.7215.39X0+103.9209.48X0+519.7214.56X0+207.9210.87X0+623.6206.78X0+311.8215.64
根据《泵站设计规范》的要求，泵站管路的最大压力不得超过水泵出口额定压力的1.5倍；水泵最大倒转转速不得超过额定转速的1.2倍[2]。4台SLOW500-1050AT型水泵并联运行时，管路内的最大许可压力为：132.57 m×1.5=198.9 m。由表1列出的管路中压力分布可得：除了水泵出口断面的最大压力满足管路的最大许可压力以外，其余断面的最大压力均超出了管路最大许可压力。此外，水泵还发生了倒转，水泵的额定转速是980 r/min，最大倒转转速为-1 358 r/min，超过额定转速的1.2倍。因此，需要考虑用两阶段关闭液控蝶阀来进行防护。
4.2 安装两阶段关闭液控蝶阀防护
在泵口处安装两阶段关闭液控蝶阀是一种常用的消除正压的措施。它的工作方式是分两阶段来完成，即：第一阶段在短时间内关闭较大的角度；第二阶段则是缓慢地关死阀门，从而减少水锤压力的上升，保证管路的运行安全。因此，对应不同的关阀时间和角度，有着不同的防护效果。本文对3组不同的关阀时间和角度进行了比较分析，从中选取最优的防护措施。3组关闭方式所对应的压力分布情况如表2所示。
表2 不同关阀方式对应的断面压力分布情况
关阀方式最大压力/mX0+000.0X0+103.9X0+207.9X0+311.8X0+415.7X0+519.7X0+623.6最大倒转转速/(r·min-1)转速比阶段1:5s关70°;阶段2:20s关20°197.88209.42210.81215.58215.34214.51206.75-357-0.36阶段1:5s关75°;阶段2:20s关15°196.86207.40208.79215.34214.49213.73206.73-357-0.36阶段1:5s关80°;阶段2:20s关10°197.81209.36210.75215.52215.28214.45206.77-357-0.36
由表2列出的数据可知，3种关阀方式所对应的水泵最大倒转转速均为-357 r/min，满足《泵站设计规范》最大倒转转速的要求。但是两阶段关闭液控蝶阀对管道内水锤压力的防护并没有起到显著的作用。除了水泵出口断面的最大压力满足管路最大许可压力以外，其余断面的最大压力，仍然超出管路的最大许可压力。对3种关阀方式进行了比较分析，结果表明：“阶段1，5 s关75°；阶段2，20 s关15°”的调节方式，所对应的各断面最大压力为最优。因此，这种调节方式为该工程两阶段液控蝶阀的最优关闭方式。然而在这种方式下，供水工程仍不能安全运行，故考虑安装超压泄压阀，以保证工程的安全运行。
4.3 安装超压泄压阀防护
超压泄压阀的安装位置不是任意确定的，它可以装在升压管段的中间，公称直径通常按主管道直径的 1/5～1/4来选取[10]。庄头泵站出水管的直径为2 m，所以选择在X0+311.8断面处安装一个口径为500 mm的超压泄压阀来防护管路内的水锤。单独开启超压泄压阀实施防护后，各断面的压力分布情况如表3所示。
表3 开启超压泄压阀后断面压力分布情况
断面号最大压力断面号最大压力/mX0+000.0195.75X0+415.7205.39X0+103.9198.68X0+519.7199.56X0+207.9199.87X0+623.6199.78X0+311.8205.64
由表3可以看出，当单独开启超压泄压阀时，在整个过渡过程中，水泵的最大倒转转速为-498 r/min，与额定转速的比值为-0.51，满足《泵站设计规范》中规定的最大倒转转速的要求。转速在8.26 s时下降到0。除水泵出口断面外，其余断面的压力仍然高于管道最大的许可压力值，此时仍不能保证压力管路的运行安全。因此，应考虑采用两阶段关闭液控蝶阀和超压泄压阀联合对管道水锤进行防护的方式，以保证供水工程的安全运行。
4.4 联合防护方案
在已经得到该工程两阶段关闭液控蝶阀的最优关闭方式和确定出超压泄压阀参数的基础上，可以得到两阶段关闭液控蝶阀和超压泄压阀联合防护的方案。即在X0+311.8断面安装一个口径为500 mm的超压泄压阀，两阶段关闭液控蝶阀的关阀方式为：“阶段1，5 s关75°；阶段2，20 s关15°”。按照以上方案，对管路各断面的水锤进行了数值模拟，结果如表4所示。
表4 超压泄压阀和两阶段液控蝶阀联合防护下断面压力分布情况 m
断面号最大压力断面号最大压力X0+000.0195.75X0+415.7198.39X0+103.9196.48X0+519.7197.56X0+207.9197.87X0+623.6196.78X0+311.8198.64
在两阶段关闭液控蝶阀和超压泄压阀的联合防护下，在整个过渡过程中，水泵的最大倒转转速为-298 r/min，与额定转速的比值为-0.30，满足《泵站设计规范》中规定的最大倒转转速的要求。转速在8.26 s时下降到0。各断面的最大压力均小于该工程管路的最大许可压力198.9 m，满足《泵站设计规范》中规定的要求。两阶段关闭液控蝶阀与超压泄压阀联合防护措施可以有效地降低管路内的升压水锤，保证供水工程的安全运行。两阶段关闭液控蝶阀和超压泄压阀联合防护下管路的最大压力包络图如图2所示。
图2 蝶阀和超压泄压阀联合防护下管路最大压力包络线
(1) 倒虹吸管路容易造成管路水锤压力的骤然增大，不利于管路的安全运行，在工程实践中，应尽量避免设计和铺设倒虹吸管路。
(2) 根据实际情况，庄头泵站的两阶段关闭液控蝶阀防护水锤的最优关阀方式为：“阶段1，5 s关75°；阶段2，20 s关15°”。
(3) 工程中，单一地采取两阶段关闭液控蝶阀或者超压泄压阀来对水锤进行防护，效果并不会理想。在这种情况下，采取蝶阀与超压泄压阀联合防护的措施，可以有效地对水锤实施防护，保证供水工程的安全运行。
参考文献：
[1] 杨开林.长距离输水水力控制的研究进展与前沿科学问题[J].水利学报,2016,47(3):424-435.
[2] 郭建平,邢海仙,闫黎黎.大型泵站复杂引水系统过渡过程与关键参数确定[J].人民长江,2013,44(12):27-30.
[3] GB 50265-2010泵站设计规范[S].
[4] 张立春.长距离高扬程输水管道过渡过程分析与防护[J].人民长江,2013,44(16):18-21.
[5] 杨玉思,高学贞,闫明.长距离大管径平坦地区输水管道水锤防护技术[J].给水排水,2010,36(9):174-175.
[6] 高将.超压泄压阀和调压塔在长距离输水管道水锤防护中的应用分析研究[D].西安:长安大学,2012.
[7] 马世波,张健.长距离输水工程停泵水锤防护措施研究[J].人民长江,2009,40(1):85-87.
[8] 孙美凤,王佳.基于MATMAB的水力过渡过程数字仿真[J].人民长江,2013,44(17):92-96.
[9] 吴建华,曹广学.工业供水工程压力管路的安全防护措施[J].太原理工大学学报,2004,35(3):359-361.
[10] 冯艳凤.长距离高扬程多起伏输水工程水锤防护研究[D].西安:长安大学,2009.
(编辑：赵秋云)
Abstract: The inverted siphon section of Zhuangtou pumping station, located in Changzhi, Shanxi Province, is influenced by excessive pressure of water hammer. Three water hammer prevention solutions for pressure pipeline are simulated, including protection by two stages closing of hydraulic butterfly valve, protection by overpressure relief valve and the joint protection of the above two ones. Through comparative analysis of pipeline technical indexes under three protection solutions, the results show that the former two schemes failed to meet the expectation as the maximum water hammer pressure does not satisfy the requirement; while the joint protection method is the most significant in reducing water hammer pressure and can ensure the safe operation of water supply project.
Key words: water hammer of rising pressure; water hammer protection; butterfly hydraulic control valve; overpressure relief valve; inverted siphon pipe; Zhuangtou pumping station
LIU Yaming, YANG Deming, GAO Jie ,LIU Chunye
(College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024 China)
中图法分类号：TV734
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.18.020
收稿日期：2016-12-05
基金项目：山西省国际合作项目(201603D421011)；山西省水利科学技术研究与推广项目(2015DSW3，201602)；山西省研究生教育创新项目(2016SY021)
作者简介：刘亚明，男，硕士研究生，研究方向为供水工程理论与优化技术。E-mail:756908351@qq.com
文章编号：1001-4179(2017)18-0096-04
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