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1、长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤防护措施摘要：运用水锤理论和特征线法，结合工程实例，对采用缓闭式蝶阀、空气阀和单向调压塔等防护措施的长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤进行计算和分析，得到了管道沿程的水头包络线以及泵端性能参数相对值的变化曲线。计算结果表明，无防护措施下最小水锤水头较低，泵端性能参数变化较大；泵端蝶阀防护可以有效地控制泵端性能参数流量和转速变化幅度，但水头的变化出现了振荡，最小水锤水头值降低；采用空气阀+泵端蝶阀防护可以有效地增加最小水锤水头值，只在管道局部出现负压，但与泵端蝶阀防护相比性能参数变化有所增大；单向调压塔+泵端蝶阀对停泵水锤防护效果最为明显。为
2、了减小单向调压塔数目，最终选择单向调压塔+空气阀+泵端蝶阀的组合作为最终的防护措施，与无防护措施相比，组合防护下整个管道不出现负压，泵端水头虽出现了振荡，但幅度不大，流量最大变化幅度下降0.15,转速最大变化幅度下降0.7,转矩振荡时间变短。关键词：长距离；多泵；输水系统；停泵；水锤；防护措施中图分类号:TV68文献标志码：A文章编号:1672-1683(2014)06-0112-04由于受到地形的影响，长距离输水系统的沿程管线布置不可避免地存在局部凹下和凸起的管段，在水泵因故突然断电停泵时常常发生水锤事故，引起管道压力变化，如果伴有水柱分离过程会导致管线压力急剧增加，造成
3、管道破裂和泵站停止运行事故。因此研究长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤有着重要的意义。目前长距离泵输水系统常用的水锤防护措施有：缓闭式蝶阀［1］、单向调压塔［2-5］和空气阀［6-8］等。本文针对南水北调某泵站长距离多泵联合运行输水系统，进行停泵水锤计算，分析不同防护措施的管道水锤水头变化以及泵端的性能参数变化情况，提出合理的停泵水锤防护措施。1数学模型1.1水锤基本方程水锤基本方程是水锤计算和分析研究的基础，主要是依据弹性理论推导。其运动方程和连续方程如下［9］：式中：H为测压管水头(m)；f、D分别为管道的摩阻系数和管直径(m)；V为管内液体的流速(m3/s)；9为管中
4、心线与水平面的夹角；x、t分别为水锤波沿管轴线传播的距离(m)和时间(s)；a为水锤波速(m/s)。1.2边界条件边界条件主要包括泵端边界条件。在水泵全特性曲线的基础上，通过水头平衡和转速变化方程［10］,依次建立长距离输水系统常用防护措施（缓闭式蝶阀、单向调压塔、空气阀和出水口）的边界条件[11-12]o1.3数值计算方法管道节点划分采用调整波速法[13]o水锤的基本方程不能直接求解，主要采用特征线法[14-15],通过将其转换为等价的常微分方程并进行积分计算，建立有限差分方程，编制相关计算程序进行求解。在求解过程中耦合不同的边界条件，从而获得不同防护措施下管道的沿程水头
5、包络线以及泵端性能参数（水头、转矩、流量和转速）相对值变化曲线，相对值为性能参数实际值与额定值的比值。2计算实例2.1工程概况南水北调配套工程某泵站输水管线全长3332.4m,管径为1.8m,进水口水位为119.4m,出水池水位为164.7m,水位高差为45.3m。泵站由4台同型号水泵组成，水泵比转速122,额定扬程51m,额定流量1.53m3/s,额定转速730r/min,额定效率83%,额定转矩1228kg•m,机组转动惯量34.37kg•m2o2.2防护效果比较1.2.1无防护措施从图1可以看出，在无防护措施下，管道系统中的最小水锤水头较低，出现了负值，而且管道负压区
6、域较长，很可能产生水柱分离及弥合水锤，造成管道系统的破坏，所以需要在管道系统中添加相应水锤防护措施，来增加最小水锤水头。另外，从图2可知，泵端水头上升不大，最大变化幅度略大于1,但是水泵倒流速度较大，造成机组倒转速度很大,变化幅度值大于1,可能产生飞逸工况，对机组造成破坏。2.2.2泵端蝶阀防护在水泵出口安装两阶段缓闭式蝶阀，其关闭规律为快关15s、角度60。,慢关90s、角度30。，其停泵水锤防护效果见图3和图4。由图可知，在泵端添加阀门后，减小了最大水锤水头的最大值，但最小水锤水头也减小，出现了更低的水锤水头负值。主要是由于蝶阀的存在导致反向和正向水流流速变小，压力上升
7、变慢，而压力下降时间变长，因此压力下降幅度变大。此防护措施对于泵端倒流流量、机组倒转速度以及转矩起到了明显的降低作用，流量和转速最大变化幅度均小于0.3,而转矩小于0.1。原因在于蝶阀的关闭导致水流流量和速度变小，从而降低了水泵的反转转速，但蝶阀的存在，导致水头变化的振荡，振荡幅度较大。因此，只靠泵端蝶阀并不能减少管道中负压，需要在管道系统中添加空气阀或者单向调压塔等防护措施。2.2.3空气阀+泵端蝶阀防护在管道长度为330m、768m、1766m及2185m等凸起处添加空气阀，其水锤防护效果见图5和图6。由图可知
