长距离输水泵站中空气罐参数

长距离输水泵站中空气罐参数

贾亚平 孙军平

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市710000

摘要：在长距离输水的泵站系统中，空气罐正在得到越来越广泛的应用，以往的输水项目中一般在泵房内设置空气罐以调节事故停泵产生的升压和负压，其效果比调压塔、空气阀等要显著一些。随着我国的调水项目越来越多，设置空气罐这种水锤防护方法的研究也在逐步深入展开。长距离输水泵站由于流量大、扬程高、管路长，当发生断电停泵时，往往会发生严重的水锤现象，如果不能采取有效的防护措施，将会造成非常大的危害。空气罐具有水锤防护效果好，施工方便，性价比高等特点，在实际工程中应用空气罐参数较多，通过空气罐进出口阻力系数来降低成本、提升防护效果。

关键词：输水泵站；空气罐；阻力系数；水锤防护

一、空气罐结构型式

目前，空气罐主要有三种型式：常规空气罐、空气阀调压室和带有中心竖管的空气罐，列出空气罐的主要结构型式，给出其数学模型，针对有压管道输水系统中，管线易出现水柱分离这一现象，采用常规空气罐作为防护措施，消除效果明显，并结合实际工程得到了验证。在常规空气罐中，除了传统空气罐外，还有气囊式空气罐，其内部有一个整体的气囊，其中，气囊式空气罐又分为三种类型：充水气囊型、充气气囊型、隔膜式空气罐。充水气囊型空气罐的气囊内充满液体，氮气充满气囊和空气罐罐壁之间的空间；而充气气囊型空气罐的气囊内充满氮气，液体充满气囊和罐壁之间；隔膜式空气罐是在传统空气罐大约罐高一半的位置处热轧一个橡胶隔膜，预充特定压力的氮气在隔膜以上，隔膜以下为水体，由此实现将气和水隔离开来。但由于隔膜式空气罐隔膜以下的部分中水与罐体一直接触，长此以来生锈不可避免，影响水锤防护效果，故逐步被其他类型的气囊式空气罐替代。[1]推导了事故停泵情况下，充水气囊型空气罐的涌浪周期及压力变化幅值估算公式，提供了理论基础，但并未在实际工程中验证。由于常规空气罐需要配置空压机定期进行自动补气，一般投资比较大，运行维护麻烦，常常在小流量调水工程或中小型水电站中采用，为此，提出了一种新型调压室——空气阀调压室，即在输水管路中设置一个短管，密封短管顶端，在顶端安装空气阀，减少工程投资效果显著。近些年，在空气阀调压室的基础上，提出带中心竖管空气罐，即在空气罐上部中心安置一个竖管，保证了罐内气体不会排空，在不设气体压缩机的情况下一定程度上增强了空气罐在工程中的水锤防护性能。

二、输水泵站中空气罐进出口阻力系数对水锤防护

某输水工程由输水泵站、重力自流管道、输水隧洞及尾部水库等建筑物组成，输水泵站设计扬程为185 m，泵采用卧式双级双吸离心泵，单泵流量为3.25 m3/s，水泵出口管径为 1 200 mm，主管管径为 2 400 mm，出水管道长约11 km，尾端连接一个2 500 m3的出水池。

1、空气罐的数学模型

空气罐是一种内部充有一定量压缩气体的压力缓冲装置，由于过渡过程时间相对较短，空气的压缩和膨胀过程可以视为绝热过程。设空气罐横截面积为A，直径为D（圆柱形），高度为H，液面高度为Z，空气罐壁面摩阻系数为λ，气体的绝热指数为γ，气体的初始压力为Pc0，初始体积为Vc0，则空气罐的动量方程为：

该输水泵站的特点是扬程高，距离长，且流量大，管径达到了 2.4 m，而机组转动惯量偏小，所以在事故停泵工况中升压和降压都较为严重，水泵出口最大压力超过了该点平稳运行压力的 1.5倍，在管线 6 km 之后全部发生了汽化现象。考虑到该泵站所处地区较为严寒，单向塔、双向塔等防护措施往往需要修建保暖建筑物，且远远高出地面，也不利于工程形象的建立，故考虑在水泵出口设置空气罐配合轴流式止回阀进行防护。利用PIPENET款成熟的水力计算软件，主要研究的是该局部阻力系数的变化对于空气罐在长距离输水管道中水锤防护效果的影响。

2、水泵的数值模拟

（1）空气罐方案。考虑在水泵出口设置一空气罐，其直径为 5 m，高度为 10m，初始水位为6.5 m，体积为196.25 m3，空气罐与主管道的连接管管径为500 mm，长度为15 m，取局部阻力系数为2.0。水泵出口阀门停泵后开始关闭，在0流速时关死，水泵机组无倒转。最大压力为256.10 m，出现在阀门出口处，最小压力为-1.88 m，出现在出水管9500 m处，如图。

可见空气罐的防护能力是优秀的，最大压力为平稳运行压力的 1.35 倍，符合《泵站设计规范》中压力不超过水泵出口运行压力的1.3~1.5倍”的要求，最小压力为-1.8 m，压力钢管可以允许短时负压出现，且没有发生汽化。

（2）增大局部阻力系数。考虑将空气罐进出口局部阻力系数增大至 5.0，其他条件不变时水锤防护效果的变化。最大压力为 232.36 m，出现在阀门出口处，最小压力为-5.71 m，出现在出水管 9 500 m 处，最大压力仅为平稳运行压力1.21倍，由此可见增大局部阻力系数后空气罐对正压的防护效果得到了显著提升，与之对应的，其对负压的防护效果大大减弱，虽然没有发生汽化，但是与之前对比负压恶化严重。

（3）使用双管连接。由上可知空气罐进出口局部阻力系数确实对其在长距离输水管道中水锤防护效果有较大影响，且对与升压和降压的影响是相反的，于是考虑将进水和出水分开，用两根管道连接空气罐，用不同方向的止回阀控制其水流方向。进水管减小管径至 250 mm，长度为 15 m，取局部阻力系数为 5.0；出水管管径仍为 500 mm，长度为 15 m，取局部阻力系数为 2.0，其他条件不变。计算结果显示，最大压力为219.42 m，出现在阀门出口处，最小压力为-1.89 m，出现在出水管9 500 m处，在实际工程中运用这种双管结构有助于大大优化水锤防护效果。

（4）配合使用空气阀。由以上结果对比可知，限制空气罐体积的其实是负压的防护效果，当空气罐体积小于 150 m3后，负压可能会偏大。但是负压的防护方法是非常多的，为节省投资，考虑在产生负压的节点上设置一防弥合水锤的注气微排阀，其进气口径为 300mm，微排口径为8 mm，将空气罐直径减小至2.9 m，高度和初始水位不变，其体积为 66.02 m3，其余条件相同。计算结果显示，最大压力为250.32 m，出现在阀门出口处，最小压力为-1.22 m，出现在出水管9 500 m处，此时防护效果略好一些，且空气罐体积从196.25 m3减小到了66.02 m3，由此可知，增大空气罐进水管局部阻力系数且配合使用空气阀将大大减小空气罐的体积，从而减少投资。计算结果知道，空气罐进出口阻力系数对其正压以及负压的控制效果影响非常大，进流阻力越大时，正压的控制下效果就越好；出流阻力越小时，负压的控制效果就越好。当空气罐控制负压时，其本质上与单向塔和双向塔的区别只在于罐内压力的不同，且负压产生时，补水越快则防护效果越好，则大大降低了水锤升压，故进流阻力在一定范围内越大，正压控制效果越好。

在长距离输水管道中，空气罐有良好的水锤防护效果，在其他条件不变的情况下，其进出口局部阻力系数对其防护效果影响非常显著，在实际工程中，可以考虑在出水管上设置止回阀，将进水管作为旁通细管，并使用孔板等元件适当增加其阻力，这样做可以大大优化原有空气罐的水锤防护效果              。

参考文献：

［1］翟雪洁，王玲花 .长距离调水工程空气罐水锤防护研究进展［J］.浙江水利水电学院学报，2018.16.

［2］罗 浩，李明治，吴宇帆.空气罐单向塔在停泵水锤中的联合防护研究［J］.东北水利水电，2018.06.