1　引言

我國黃河禹門口提水工程二級泵站，管路的安全防護設計中采用液控止回蝶閥以防止事故斷電后引起的水倒流、水錘沖擊和高速逆轉，保證機組和管路的安全運行。該蝶閥由鐵嶺調節閥廠生產，型號為HD741-16DN600（見圖1）。該蝶閥的工作原理是：在水泵起動前，由于流道出口淹沒在出水池水位以下，為防止出水池水體倒流，蝶閥處于關閉狀態；在水泵起動過程中，隨著機組轉速的上升，水泵出口水位逐漸上升，流道中的空氣從蝶閥前的空氣閥排出，經過很短的造壓過程，蝶閥開始開啟；在水泵正常停泵過程中，待蝶閥快速關至一定角度后機組斷電，液控蝶閥繼續關閉直至全關，切斷水流。本研究結合該供水工程的實際，在液控止回蝶閥安全防護下，對停泵暫態過程進行計算機仿真研究，并通過現場測試進行比較，以期得到液控止回蝶閥防護水錘的最優關閉過程，從而為類似供水工程的建設、運行和開展這一課題的深層次研究提供技術支持。

圖1　HD741-16DN600液控止回蝶閥

禹門口二級泵站位于山西、陜西兩省交界處，屬于高揚程（H=105m）、大流量（Q=1.6m³/s）的抽黃灌溉工程，設計灌溉面積3.33萬hm²，安裝10臺機組，單機單管，明敷預應力混凝土管道，內徑110m，長550m。總流量14.4m³/s，地形揚程98.8m，河水平均含沙量達50kg/m³。選用甘肅工業大學設計、陽泉水泵廠生產的單級雙吸離心泵，水泵型號為32SH-7，其額定參數如表1所列。

表1 水泵特性資料參數

2　現場試驗設備及測量方法

2.1　試驗內容

基于該提水泵站的實際情況，水泵斷電情況下，對泵及液控止回蝶閥水力過渡過程有關參數進行實時量測。內容包括：

（1）突然斷電后，液控止回蝶閥前后、起坡處和管路變坡處壓力隨時間變化規律的實時量測；
（2）機組斷電后其轉速隨時間的變化規律；
（3）實時量測斷電后主管流量隨時間的變化規律。

2.2　試驗儀表及測量方法

2.2.1　瞬態壓力的測量

通過球型閥門將主管與ZQ-Y型壓力傳感器互聯，通過有線通信方式傳至計算機采集系統記錄相關的數據，求出相應的壓力與時間過程。為校核，在試驗現場的每個壓力測點上，均有專人進行目測。

2.2.2　瞬時轉速的測量

利用測速電機進行順勢轉速量測，將發電機用支架固定在主軸旁，用一干電池組供給測速發電機勵磁，測速電機的輸出電壓與所測轉速成正比例輸出，求得水泵的瞬態轉速和對應的時間過程。

2.2.3　瞬態流量的測量

分支管測流法，包括支管、閘閥及差壓變速器（輸出標準直流信號4～20mA），送至計算機可實時記錄支管流量隨時間的變化規律。通過流體力學理論“并聯管端的水頭損失相等”特點，可求得下列關系式：Q=kq，計算便可求得主管流量。式中，q為分支管測出的瞬態流量（m³/s）；Q為主管流量（m³/s）；k為測流裝置的系統流量倍數。現場試驗開始前，測流裝置在水泵穩定工況下利用超聲波流量儀進行精確標定。該供水工程的水力過渡工程的實測結果見表2，限于篇幅表中僅給出最大最小壓力包絡線數據。

表2　最大最小壓力包絡線數據分析m

3　理論計算與試驗研究結果

3.1　理論計算

水錘圖解法對于布置復雜和摩阻損失占比重較大的長管道系統，計算精度較差。美國學者斯利特和懷利提出的特征線法，可考慮管道的摩阻損失及水錘方程的其它次要項，其計算精度高、速度快、收斂性好。本研究在基于對該法深刻理解的基礎上，建立了考慮管路摩阻時壓力管路水錘的基本方程，原理如下。

3.1.1　計算原理

設i-1、i和i+1為管道上3個相鄰的斷面，斷面間的距離為Δx。如果在t時刻i-1和i+1處的水頭和流量已知，則根據下列正、負水錘特征方程聯立求解，即可求得t+Δt時刻的管中i斷面的水頭Hi和流量Q_i，即

式中

a為水錘波波速；

f為管子摩阻系數；A、D分別為管子過流斷面積和管徑。

求整條管道上不同時刻的流量和水頭，將管道分為若干長為Δx的管段，再求出波速a，通過距離Δx所需時間Δt=Δx/a，當在Δt開始時各斷面的流量和水頭已知時，即可利用正、負特征方程求出相鄰兩管段中間斷面在Δt時刻末的流量和水頭，依次類推，可求出整條管道各斷面在Δt時刻末的流量和水頭值，然后再根據Δt末求得的已知值求出2Δt時刻末的未知值，依次再求出3Δt時刻的未知值，直至計算到所規定的時間或者精度為止。

本輸入管路中裝有加壓泵，在泵前后的管路斷面水頭和流量以及泵工作變量的確定，除利用特征方程外，尚需根據泵的特性列出附加方程才能求得，在裝有泵的節點處，要求的變量有10個，即管路斷面和泵出口斷面上的Q_pi-1，H_pi-1，Q_pi，H_pi，Q_pi+1，H_pi+1共6個變量和泵的揚程H_p、流量Q_p、轉速n_p和轉矩M_p共4個變量，因此必須列出10個獨立方程才能求解。即有：

（1）特性方程；
（2）水頭平衡方程式；
（3）水流連續方程；
（4）泵全特性曲線擬合方程；
（5）水泵機組慣性方程。

聯立求解上列所有方程式，經數學上的簡化整理后得

式中，C₆為慣性方程系數，其值（GD²為水泵機組的轉動慣量）為為時段末水泵轉速、流量、轉矩和揚程的相對值。

方程是含2個未知量α_P和ν_P的非線性方程，采用萊福遜迭代法解出α_P和ν_P值，然后可解出所有未知量。水錘計算采用水泵額定工況點為依據，最大流量工況點為校核的方案。

3.1.2 計算結果

通過計算機求解，對于液控止回蝶閥的關閉角與關閉時間的甚多組合，計算泵斷電狀態時管道各不同斷面的最大與最小壓力、最大與最小流量及其各自出現的時刻，將模擬結果與實測數據相比較，繪制成包絡線圖見表3和圖2。

3.2　試驗研究與理論計算結果對比分析

從表2和表3變化趨勢看：二者結果基本吻合，說明計算機仿真的方法是可行的。引起誤差的原因有：

（1）采用相近比轉速下水泵的全特性曲線數據，產生誤差；
（2）無液控止回蝶閥實測阻力系數與關閉角度之間的關系，采用甘肅省水利廳閘閥設計研究組提出的相似的模型換算后數據，產生誤差；
（3）現場試驗條件下水中含沙量高達3617kg/m³，必然對水錘波的傳播產生影響；
（4）分支管測流法是一種尚需進一步探討和完善的新的測流方法。

在試驗研究條件下，高含沙水流介質的作用，必然使此分流裝置本身帶有一定的誤差；研究結果均滿足SD204-86《水泵技術規范》的要求，對于整個供水系統的安全生產意義重大。

表3　誤差綜合分析

圖2　包絡線繪制

由上述計算分析結果可知：使用液控止回蝶閥安全防護措施下滿足壓力管道的水力過渡過程情況下的特殊安全要求，且模擬值與實測值比較接近，滿足工程安全運行的需要。

4　結論

（1）禹門口提水工程二級泵站屬于高揚程泵站，管路安全防護采用了液控止回蝶閥，邊界條件復雜，利用特征線法理論對其水力過渡過程進行計算，取得了與實測相互吻合的效果。說明計算機仿真是可行的，為今后長距離、高揚程供水工程水力過渡過程計算分析提供了值得借鑒的手段。同時，在一般情況下，也可免除耗材費時、具有風險性的室外試驗。因此，本研究具有較大的實用價值并可產生良好的經濟效益。

（2）研究結果表明：液控止回蝶閥消除水錘效果良好。

（3）采用液控止回蝶閥消除水錘，能滿足規范的要求，是壓力供水管路安全防護必不可少的措施。

參考文獻：

[1] 吳建華1供水泵站工程新技術[M] 北京：中國水利水電出版社，2002
[2] 熊水應，關興旺，等 多處水柱分離與斷流彌合水錘綜合防護問題及設計實例[J] 給水排水，2003，29（8）：1-6
[3] 吳建華，曹廣學1供水工程壓力管路的安全防護措施[J] 太原理工大學學報，2004，35（3）：359-361
[4] GB/T50265—97，泵站設計規范[S]