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摘要长距离输水工程水锤问题日益突出，水锤防护难度大。针对伊犁河扬水工程存在的水锤问题，根据瞬变流基本理论，建立了空气罐的水力分析模型，并结合工程实例对空气罐的水锤防护方案进行了分析优化。研究表明，通过理论设塔方法可以方便地得到空气罐的初设方案，结合水力过渡过程分析对初设方案进一步优化，可以在不影响水锤防护效果的情况下，显著减小空气罐的体型尺寸。
关键词抽水断电；水锤防护；空气罐；输水工程
中图分类号S274.2；TV134+.1；TV672+.2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-382-03
长距离输水工程已经成为当前水资源优化配置的有效手段，但其引水流量大、受水区域广、线路距离长，正常运行调度和事故应急调度时，需要对泵、闸、阀等进行一系列复杂操作，并引起管道中压力和流量的剧烈波动，导致水锤防护问题较为突出。由于输水管道较长，除日常检修维护困难外，事故响应速度也相对迟缓，一旦管道发生破坏，将产生严重后果，轻则导致管线受损，重则导致管道爆管、水泵机组损毁，甚至全系统停水[1-3]。因此，输水管道一般需采取多重水锤防护措施，以确保管道安全。同时，为保证各种防护措施的有效及可靠性，必要时还需进行多个防护措施的联合控制。
常规双向稳压塔水锤防护性能稳定，但往往设置高度较高，投资很大，限制了其在输水工程中的应用，而空气罐具有优良的水锤防护性能，可以大大缩小调压室的体型，受场地条件的限制较小，在输水工程中应用具有一定的优势。因此，基于有压瞬变流理论，探讨空气罐的水力分析模型，结合工程实例进行空气罐水锤防护方案的设计优化分析，有利于空气罐的工程设计与推广应用，对大型有压输水工程的水锤防护具有借鉴意义。
1工程概况
新疆伊犁河南岸干渠察布查尔县扬水灌区东西长约50 km，南北宽约9 km，海拔高程800～1 000 m。项目区地形较平坦，南北向自然坡降1/30～1/50，东西向纵坡1/2 000～1/4 000。灌区净灌面积3.07万hm2（46万亩）。整个灌区以较大的洪沟为界划分为面积不等、相对独立的3个小灌区，单独设扬水站进行分级扬水，扬水总高度约为200 m。每个小灌区设4级泵站，共设12级泵站。设计扬程区间约在52～57 m之间，单级泵站管线长度在1 376～2 895 m之间，单级泵站设计流量在1.57～7.32 m3/s之间。
灌区各级泵站间均有分水无空流段，且灌区各灌溉区间流量要求变幅较大。为满足灌溉流量调节的要求各泵站装设的水泵大小和台数均不同，各泵站的每根上水管线都并联有不同型号的多台水泵。其中第一级泵站工程左管安装4台卧式双吸离心泵（2台大泵和1台中泵工作，1台小泵备用），大泵单机流量1.66 m3/s，转速730 r/min，配套电机功率1 400 kW；中泵单机流量0.55 m3/s，转速1 450 r/min；小泵单机流量0.2 m3/s，转速1 450 r/min，配套电机功率220 kW，扬程56.64 m。输水管线采用PCCP管单管供水，直径为1.6 m，长度约3.0 km。该文主要针对第一级泵站工程的空气罐水锤防护进行分析。
4空气罐水锤防护方案
根据空气罐的水锤防护机理，结合相关工程的实践经验，当采用空气罐作为工程的水锤防护措施时，通常以水泵抽水断电的事故工况作为空气罐方案設计的控制工况。根据水锤波的传播特性和管线的布置特点，制定出空气罐的初设方案，并需要借助瞬变流分析理论，对初设方案进行优化。
4.1计算工况的选择
第一级泵站工程输水管线采用PCCP管单管供水，直径为1.6 m，长度约3.0 km。前池为供水起点，正常水位823.02 m；出水池作为供水终点，正常水位87184 m，总供水量为3.87 m3/s。以第一级泵站水泵断电作为控制工况进行计算分析，由于为单管供水，因此水泵抽水断电后将没有补给水源为该输水管线供水，如不采取稳压措施，该输水管线可能发生负压破坏。
4.2空气罐初设方案的确定
4.2.1泵后不设空气罐的计算。由于第一级泵站及其输水系统全长约3.0 km，水锤波速约750 m/s，在不设置空气罐的无调压措施情况下系统发生水锤时，水锤波的相长约8 s，意味着当水泵抽水断电时，8 s内流量变化所产生的泵后压力降低，将按照直接水锤公式变化，由此产生较大的水锤压力，直接水锤公式如下：
ΔH=agΔv（11）
式中：△v为输水管线8 s之内的流速变化。
由图1可知，在泵后不设空气罐的无调压措施情况下，泵站抽水断电时，泵后输水管道3 s内的流量由3.87 m3/s变化到2.37 m3/s，由此导致输水干管流速由1.93 m/s下降至1.18 m/s，下降约0.75 m/s，按照式（11），可能导致压力下降约563.1 kPa。
由于理论分析忽略了断电水泵运行水泵之间的压力传递，计算结果略大于理论分析值，但计算结果的波形与理论分析基本一致。由于泵后产生了约588.6 kPa左右的压力下降，该压力波的传播，将导致泵站后的输水管路沿线出现较严重负压。沿线由于初始压力较低，桩号0+692、1+418、2+118等处压力可能降低至水流汽化压力以下，将导致管道破坏。
从图3、4可看出，1-1泵站后无调压措施时，1-1泵站抽水断电时，泵后沿线将产生远大于汽化压力的负压，故需在1-1泵站后沿线设置平压措施，尤其在管道后面由于管中初始压力很低，水锤压力一旦通过时产生的压力降低将直接导致水流汽化。
4.2.2泵后设置空气罐的计算。综合考虑地形条件、施工难度及工程造价等因素，在拟定空气罐的体型尺寸时，空气罐高度限制在10 m以内，面积设置在25 m2以内。选取了2个对比方案进行比选，初拟的空气罐体型尺寸方案如下。
水管附近设置空气罐方案，泵后压力下降幅值与速度得以有
效控制，水锤压力基本被空气罐隔断，管道内的压力不会降至负压，并存在一定余量。2种空气罐的设置方案均可满足沿线无负压以及事故停泵过程中泵后压力允许上升值为水泵出口额定压力的1.3～1.5倍的规范要求，事故停泵过程中的最小水深分别为0.3和0.18 m。在水锤防护效果相差不大的情况下，方案1的空气罐体积为200 m3，方案2的空气罐体积为175 m3，综合考虑方案2为推荐方案。
5结论
通过对伊犁河扬水工程的空气罐防护方案进行理论和实例分析，可以得到如下结论：
（1）空气罐具有良好的负压防护性能，空气罐水锤防护方案应通过理论分析和水力过渡过程数值计算来确定；
（2）空气罐的体型设计与输水系统的具体布置和水泵特性密切相关，应进行多方案的优化比选；
（3）空气罐的布置应尽量靠近泵站，则在有压输水系统发生抽水断电事故后，泵后阀门可以做到较快速关闭；
（4）考虑到泵后阀门关闭需要一定的时间，必须具有合理的容积，以保证空气罐在整个过渡过程中不漏空，避免因漏空而导致管线出现负压。
参考文献
[1] WYLIE E B，STREETER V L，SUO L S.Fluid transient in systems[M].New York：Prentice Hall，1993.
[2] 胡建永，张健，陈胜.串联加压输水工程事故停泵的应急调度[J].人民黄河，2013，35（8）：74-76.
[3] 刘梅清.梯级调水系统瞬变流分析及优化调度研究[D].武汉：武汉大学，2004.
[4] 邱锦春，杨文容，刘梅清，等.梯级泵站水道系统过渡过程计算分析[J].中国农村水利水电，2003（5）：61-63.
[5] 胡建永.长距离输水工程的水锤防护与运行调度研究[D].南京：河海大学，2008.
关键词抽水断电；水锤防护；空气罐；输水工程
中图分类号S274.2；TV134+.1；TV672+.2文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-382-03
长距离输水工程已经成为当前水资源优化配置的有效手段，但其引水流量大、受水区域广、线路距离长，正常运行调度和事故应急调度时，需要对泵、闸、阀等进行一系列复杂操作，并引起管道中压力和流量的剧烈波动，导致水锤防护问题较为突出。由于输水管道较长，除日常检修维护困难外，事故响应速度也相对迟缓，一旦管道发生破坏，将产生严重后果，轻则导致管线受损，重则导致管道爆管、水泵机组损毁，甚至全系统停水[1-3]。因此，输水管道一般需采取多重水锤防护措施，以确保管道安全。同时，为保证各种防护措施的有效及可靠性，必要时还需进行多个防护措施的联合控制。
常规双向稳压塔水锤防护性能稳定，但往往设置高度较高，投资很大，限制了其在输水工程中的应用，而空气罐具有优良的水锤防护性能，可以大大缩小调压室的体型，受场地条件的限制较小，在输水工程中应用具有一定的优势。因此，基于有压瞬变流理论，探讨空气罐的水力分析模型，结合工程实例进行空气罐水锤防护方案的设计优化分析，有利于空气罐的工程设计与推广应用，对大型有压输水工程的水锤防护具有借鉴意义。
1工程概况
新疆伊犁河南岸干渠察布查尔县扬水灌区东西长约50 km，南北宽约9 km，海拔高程800～1 000 m。项目区地形较平坦，南北向自然坡降1/30～1/50，东西向纵坡1/2 000～1/4 000。灌区净灌面积3.07万hm2（46万亩）。整个灌区以较大的洪沟为界划分为面积不等、相对独立的3个小灌区，单独设扬水站进行分级扬水，扬水总高度约为200 m。每个小灌区设4级泵站，共设12级泵站。设计扬程区间约在52～57 m之间，单级泵站管线长度在1 376～2 895 m之间，单级泵站设计流量在1.57～7.32 m3/s之间。
灌区各级泵站间均有分水无空流段，且灌区各灌溉区间流量要求变幅较大。为满足灌溉流量调节的要求各泵站装设的水泵大小和台数均不同，各泵站的每根上水管线都并联有不同型号的多台水泵。其中第一级泵站工程左管安装4台卧式双吸离心泵（2台大泵和1台中泵工作，1台小泵备用），大泵单机流量1.66 m3/s，转速730 r/min，配套电机功率1 400 kW；中泵单机流量0.55 m3/s，转速1 450 r/min；小泵单机流量0.2 m3/s，转速1 450 r/min，配套电机功率220 kW，扬程56.64 m。输水管线采用PCCP管单管供水，直径为1.6 m，长度约3.0 km。该文主要针对第一级泵站工程的空气罐水锤防护进行分析。
4空气罐水锤防护方案
根据空气罐的水锤防护机理，结合相关工程的实践经验，当采用空气罐作为工程的水锤防护措施时，通常以水泵抽水断电的事故工况作为空气罐方案設计的控制工况。根据水锤波的传播特性和管线的布置特点，制定出空气罐的初设方案，并需要借助瞬变流分析理论，对初设方案进行优化。
4.1计算工况的选择
第一级泵站工程输水管线采用PCCP管单管供水，直径为1.6 m，长度约3.0 km。前池为供水起点，正常水位823.02 m；出水池作为供水终点，正常水位87184 m，总供水量为3.87 m3/s。以第一级泵站水泵断电作为控制工况进行计算分析，由于为单管供水，因此水泵抽水断电后将没有补给水源为该输水管线供水，如不采取稳压措施，该输水管线可能发生负压破坏。
4.2空气罐初设方案的确定
4.2.1泵后不设空气罐的计算。由于第一级泵站及其输水系统全长约3.0 km，水锤波速约750 m/s，在不设置空气罐的无调压措施情况下系统发生水锤时，水锤波的相长约8 s，意味着当水泵抽水断电时，8 s内流量变化所产生的泵后压力降低，将按照直接水锤公式变化，由此产生较大的水锤压力，直接水锤公式如下：
ΔH=agΔv（11）
式中：△v为输水管线8 s之内的流速变化。
由图1可知，在泵后不设空气罐的无调压措施情况下，泵站抽水断电时，泵后输水管道3 s内的流量由3.87 m3/s变化到2.37 m3/s，由此导致输水干管流速由1.93 m/s下降至1.18 m/s，下降约0.75 m/s，按照式（11），可能导致压力下降约563.1 kPa。
由于理论分析忽略了断电水泵运行水泵之间的压力传递，计算结果略大于理论分析值，但计算结果的波形与理论分析基本一致。由于泵后产生了约588.6 kPa左右的压力下降，该压力波的传播，将导致泵站后的输水管路沿线出现较严重负压。沿线由于初始压力较低，桩号0+692、1+418、2+118等处压力可能降低至水流汽化压力以下，将导致管道破坏。
从图3、4可看出，1-1泵站后无调压措施时，1-1泵站抽水断电时，泵后沿线将产生远大于汽化压力的负压，故需在1-1泵站后沿线设置平压措施，尤其在管道后面由于管中初始压力很低，水锤压力一旦通过时产生的压力降低将直接导致水流汽化。
4.2.2泵后设置空气罐的计算。综合考虑地形条件、施工难度及工程造价等因素，在拟定空气罐的体型尺寸时，空气罐高度限制在10 m以内，面积设置在25 m2以内。选取了2个对比方案进行比选，初拟的空气罐体型尺寸方案如下。
水管附近设置空气罐方案，泵后压力下降幅值与速度得以有
效控制，水锤压力基本被空气罐隔断，管道内的压力不会降至负压，并存在一定余量。2种空气罐的设置方案均可满足沿线无负压以及事故停泵过程中泵后压力允许上升值为水泵出口额定压力的1.3～1.5倍的规范要求，事故停泵过程中的最小水深分别为0.3和0.18 m。在水锤防护效果相差不大的情况下，方案1的空气罐体积为200 m3，方案2的空气罐体积为175 m3，综合考虑方案2为推荐方案。
5结论
通过对伊犁河扬水工程的空气罐防护方案进行理论和实例分析，可以得到如下结论：
（1）空气罐具有良好的负压防护性能，空气罐水锤防护方案应通过理论分析和水力过渡过程数值计算来确定；
（2）空气罐的体型设计与输水系统的具体布置和水泵特性密切相关，应进行多方案的优化比选；
（3）空气罐的布置应尽量靠近泵站，则在有压输水系统发生抽水断电事故后，泵后阀门可以做到较快速关闭；
（4）考虑到泵后阀门关闭需要一定的时间，必须具有合理的容积，以保证空气罐在整个过渡过程中不漏空，避免因漏空而导致管线出现负压。
参考文献
[1] WYLIE E B，STREETER V L，SUO L S.Fluid transient in systems[M].New York：Prentice Hall，1993.
[2] 胡建永，张健，陈胜.串联加压输水工程事故停泵的应急调度[J].人民黄河，2013，35（8）：74-76.
[3] 刘梅清.梯级调水系统瞬变流分析及优化调度研究[D].武汉：武汉大学，2004.
[4] 邱锦春，杨文容，刘梅清，等.梯级泵站水道系统过渡过程计算分析[J].中国农村水利水电，2003（5）：61-63.
[5] 胡建永.长距离输水工程的水锤防护与运行调度研究[D].南京：河海大学，2008.