某煤矿高扬程矿井水外排管道水锤防护措施设计

某煤矿高扬程矿井水外排管道水锤防护措施设计

汪永彪

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

摘要：陕北地区某煤矿矿井水外排泵站水泵设计扬程120.65m，管道沿线起伏较大，管道运行易发生弥合及停泵水锤。文中以本工程为例，采用数值模拟的方法对泵站突发停泵状态下的管道压力变化及水泵倒转情况进行模型分析，对输水管道的弥合及停泵水锤的产生原因分析研究后，提出了经济合理的水锤防护工程措施，有效降低弥合及停泵水锤的发生，确保工程运行安全，可为同类工程提供参考。

关键字：高扬程；输水系统；模拟分析；水锤防护措施

0绪论

   在压力输水管道中，由于管道中流速的剧烈变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水击现象，称为水锤。水锤会导致管道破裂等重大事故，造成巨大的经济损失【1】。随着我国经济的发展，对矿井水资源利用要求的提高，将矿井水通过管道输送至化工园区，以实现水资源综合利用，越来越多的高扬程矿井水排水管道在陕北复杂的山区建立，而随之产生的矿井水外排管道水锤防护成为了一个难题。在高扬程山地输水系统中除了对停泵水锤做重点防护外，由于山地输水管线起伏大，在管道当中会产生很大的弥合水锤，还需对弥合水锤做重点防护，增加了输水系统水锤防护的难度【6】。因此，在高扬程山地输水系统的设计中对输水系统的水锤效应做出准确的分析，提出有效且经济的技术防护措施，确保输水系统的安全运行是十分重要的。

1 工程概况

   某煤矿矿井水外排管道位于陕北黄土高原，管线穿越区域地形复杂，矿井水外排管道采用压力流输送，处理达标后的矿井水通过水泵加压后输送至工业园区，矿井水外排管道设计流量0.658m³/s，采用单管输水，管道长度5.63km，泵站设计扬程120.65m，泵站内设4台双吸泵。对该高扬程输水系统进行水锤分析，并提出合理的防水锤措施，确保后期输水工程安全稳定运行的关键。采用流体力学工程计算软件系统进行水锤计算，选择最优的防护措施，得出合理的水锤防护方案，确保后期矿井水外排管道安全稳定运行。

2 工程水锤防护分析

2.1水锤计算参数

（1）矿井水外排管道总长5.63km，采用DN800球墨铸铁管，管道外径800mm，壁厚42mm，水击波速1245m/s，矿井水外排管道正常运行状态下的水力坡降线及管中心高程线见图1。

图1 管道正常运行状态下水力坡降及高程线

（2）矿井水外排加压泵站内布置5台加压水泵，4用1备，采用同一型号，水泵转速1480r/min，水泵设计扬程120.65m，泵站下水位922.75m ，上水位1029.75m。每台泵出口安装一台止回阀，会流后的总管道安装一台止回阀，止回阀关闭时采用两阶段关闭。

2.2 无防水锤措施下管道水锤压力计算分析

按相关规范要求，在矿井水外排管道沿程的起伏点设置DN80普通型排气阀，泵站出口止回阀按5秒钟先关65%，剩余35%在30s内全闭，计算分析外排水管道在以上无防水锤措施情况下，泵站突发停电事故，水泵停转时外排水管道各处的压力变化及最大正负压值包络线，计算结果见图2~4。

从图2的水锤高低/压力包络线图中可以得出，输水系统在突然停泵时产生的最高水锤压力达到429.25m，为水泵额定工作压力3.55倍，高出管道设计最大承压能力2.0MPa，无防护时水锤产生的压力远大于管道所能承受的压力，发生水锤时必将发生爆管，须进行水锤防护，降低水锤压力。从图2中的可得出，管道全线出现负压，容易发生弥合水锤，导致管道爆管，同样需解决弥合水锤问题。从图3及图4中可以看到，在水泵出口的压力波动剧烈，在水泵开始反转后，水泵出口最高水头高达300m，为水泵额定工作压力的1.8倍，超出《泵站设计规范》（GB50265-2016）要求的水泵出口最高压力不得超过水泵额定工作压力1.3~1.5倍的规定。水泵进口处的压力随着水泵的倒转，进口处的压力也增大。从图4可以看到水泵产生反转，在23s时达到最大反转速度1200r/min，满足《泵站设计规范》（GB50265-2016）的要求，但是反转对于水泵密封的影响较大，严重降低水泵使用寿命。

通过以上分析，在无防护状态下，两阶段关闭的止回阀的关闭过程并不会对管线产生明显的水锤防护效果，同时在30秒全部关闭的双速过程当中，对水泵的冲击较大，对水泵不利。

同时，管道沿线凸起点亦会出现明显的弥合水锤，在桩号K2+625处与桩号K5+401处的对系统的压力波动有明显贡献，其中因桩号K2+625处为一个较高管道凸起点，故管线负压压力波动主要由桩号K2+625处贡献，在桩号K5+401处则主要为桩号K2+625处产生的压力波动引起的震动，均需要独立的保护。

通过以上分析，在无防护措施情况下下，管道会出现大段的负压与正压水锤，必须得到额外的保护，消除负压与正压水锤，确保管道安全稳定运行。

图2 无防护状态下高/低压包络线

图3 无防护泵站处压力波动曲线

图4 无防护状态水泵倒转曲线

2.3水锤防护措施的选取

    现阶段的水锤防护设施的发展趋于小型化和自动化，目前国内泵站对于水锤的防护措施主要有空气罐防护，阀门防护、空气防护阀，水锤消除器及调压塔防护【2】【3】。对于管道沿线出现的大量负压段，在管道凸起点水柱断裂产生的弥合水锤，可采用防水锤型排气阀进行解决，这种阀门具有在管道充水时大量排气，在系统运行时微量排气，在管道产生负压时大量进气的三阶段运行功能。结合本工程实际情况及特点，初步确定以下三个防护方案，见表1。

表1 矿井水外排管道水锤防护方案设计

在泵站输水系统水锤防护方案设计中，水锤防护措施除了达到技术要求外，还需考虑经济性，最终提出一个即有效又经济的防护方案，保证输水管道安全稳定运行，提高供水保证率【4】。在泵站内设置空气管，对空气罐的体积初步计算为50m³，对泵房土建增加费用较大。压力波动预止阀是一种安装在管道旁通上，可够感应到因水锤发生前伴随水泵突然停转而产生的压力下降，在感应到压力变化后，预开启的阀门消除随之而来的停泵水锤，超压泄压阀是当系统管道压力大于系统能承受的压力时，能够起到泄压阀的作用，开启主阀泄放压力，避免系统超压【5】。这两种泵后停泵水锤防护方式相比，压力波动预止阀占地小，操作维护方便，可靠性高。空气罐体积大，要扩大泵房面积，需要定期检查以及不断补气。由于泵房设计面积小，要求供水系统有很高可靠性，以及考虑到后期的维护，泵后水锤防护选择压力波动预制阀配合超压泄压阀的防护方案。

矿井水外排管道总长5.6km，根据《室外给水设计标准》GB50013-2018要求在输水管道隆起点设置通气设施，在平缓管段，宜间隔1000m左右布置一个通气设施。按照上述要求，根据管道实际铺设情况，需要布置通气设施的有19处，如全线采用防水锤复合排气阀，增加投资较高，故采取防水锤复合排气阀与普通排气阀结合使用的方式，在产生负压较低的凸起点采用防水锤复合排气阀，其余凸起点布置一般排气阀。

综合各类因素，选取方案3为最终防护方案，在泵出口的主管道布置两台压力波动预止阀，沿程布置DN100防水锤复合排气阀布置8座，具体位置见表2，其余位置布置一般DN80排气阀。

表2 水锤复合排气阀布置位置

2.5增设防水锤措施后管道水锤压力计算分析

   按选取的方案增加水锤防护措施，同时将止回阀改为5秒关闭65%，第15秒全部关闭，在水泵出口干管安装2台压力波动预止阀。重新计算突然停泵时候的管线水锤压力变化情况，计算结果见图5~8。从图5可以看到，在增加了压力波动预止阀和防水锤型复合排气阀后系管道水锤压力明显下降，高压趋近于正常供水压力，负压也很好的解决了，系统处于安全状态。从图6中可以明显的看到，增加防护措施后水泵出口压力明显降低，压力波动不再十分剧烈，在停泵50s后压力趋于稳定。从图7也可以看出，增加防护后水泵倒转转速明显降低，在停泵50s后水泵慢慢停止倒转。从图8中可以看到，当系统管道压力大于系统能承受的压力时，压力波动预止阀开启主阀泄水，降低管道中的压力，使得整个输水系统得到有效的防护。

通过模拟计算可知，在增加了防护后，停泵水锤得到了有效的防护，泵后管道压力及水泵倒转问题得到解决。

图5 增加防护措施后水锤高/低压包络线

图6 增加防护后泵站处压力波动曲线

图7 增加防护后水泵倒转曲线

图8 压力波动预止阀排水量过程曲线

    在管线起伏较大的山地供水系统，弥合水锤的防护是十分重要的。对于本工程弥合水锤的防护，通过对于系统负压波动有明显贡献的桩号K2+625处进行水锤防护前与防护后的压力变化分析对比，验证增设防水锤复合排气阀的有效性。图9是为未增设弥合水锤防护措施时桩号K2+625处管道水锤压力波动曲线，图10为增加了防水锤复合排气阀后的桩号K2+625处管道水锤压力波动曲线。从两个图的对比可以明显的看出，增加防护后在桩号k2+625点的最大压力明显减小，在50s后管道压力趋于平稳，防水锤复合排气阀可有效的削弱弥合水锤，减小了管道压力波动。

图9 无防护状态桩号k2+625/k5+401点水锤压力波动图

图10 增加防护后桩号k2+625点水锤压力波动图

3结论

通过上述模拟计算及分析，我可以得出以下结论；

（1）仅设置普通排气阀及两阶段关闭止回阀对与水锤防护作用不是很大，在增加了压力波动预止阀有效的削减输水系统停泵水锤压力。

（2）在无防护状态下，沿程高点亦会出现明显的弥合水锤，在设置防水锤复合排气阀后可有效的削减沿程凸起点的负压及弥合水锤压力。

（3）在泵出后设计压力波动预止阀后，泵出口压力明显降低，泵反转时间减小，整个系统压力波动在50s内趋于稳定。

采用压力波动预止阀与防水锤复合排气阀组合使用的防水锤措施，可有效削减高扬程山地输水系统的停泵水锤及弥合水锤，为一种经济有效的防水锤方案，在同类工程中具有重要的借鉴意义。

参考文献：

【1】刘竹溪，刘光临.泵站水锤及其防护[M].北京：中国水力电力出版社，1988.

【2】姜乃昌.泵与泵站[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

【3】杨玉思，徐艳艳，羡巨智.长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究[J].给水排水，2009，35（4）：108~110.

【4】沈志刚，刘卫华，赵小利，窦浩.李家河水库压力输水管道水锤防护分析与研究[J].给水排水，2011，（37）：412~415.

【5】李甲振，郭新蕾，杨开林，低扬程大流量泵站的水锤防护[J].华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)，2021，（42）：104~4108.

【6】范小娟，宋培培，贵州省某高扬程供水工程水锤分析[J].水 利 科 学 与 寒 区 工 程，2021，（4）：19~23.