多功能水泵控制阀在事故停泵过程中的水锤抑制效果研究

0 引言

水锤是管网中流速短时间剧烈变化产生的压力波动现象[1]。事故停泵时，流体动能瞬间失去补给，会发生反向加速或迅速减速，产生强烈正负压冲击，且相比常规工况，其时间尺度更短、瞬态流速变化率更大、波形反射模式更难预测，易引发超压、局部空化或长期疲劳损伤，是输水系统的重大失效源。工程上常用缓闭式泵控阀、止回阀、旁通/泄流阀、空气室或气囊及专用防冲击装置等进行防护，这些措施在许多场景有效，但在复杂工况或缺乏在线调节能力时存在局限，如传统被动设备对突发事故适应性不足、阀门动态特性常被简化导致数值预估偏差、现场缺少大规模同步试验数据验证等。因此，对多功能水泵控制阀在事故停泵过程中的水锤抑制效果的研究，对于降低事故停泵引起的压力峰值，提升系统运行稳定性，为水利工程安全设计提供参考具有十分重要的现实意义。

1 水锤现象基本理论及现状

1.1 水锤计算的经典理论

水锤是指在有压管道系统中，由于流量或流速在极短时间内发生突变（如泵站启停、阀门快速启闭等），引起的压力波沿管道传播与反射的瞬态水力现象。根据流速变化的性质，可分为直接水锤与间接水锤[2]。在事故停泵工况下，由于驱动水流的机械能瞬间丧失，流体惯性导致反向流动，并在边界条件处形成高幅度压力波，是引发设备损坏和系统失效的重要原因。在水锤理论研究领域，早在 1903 年 Lereuzo Allive 和 Joukowski 就已经完善了水锤基本公式，创新性地提出“ 间接水锤” 概念，并构建了非恒定流的水锤基础微分方程，为后续水锤计算研究奠定了重要基础[3]。20 世纪中期，随着计算机技术的蓬勃发展，各类依托计算机的水锤计算方法陆续出现，其中包括特征线法、有限元法、波特性法等。在这些方法中，特征线法因编程方便、逻辑清晰、结构简单而被广泛应用于水锤计算[4]。

特征线法的核心原理是将运动方程与连续方程进行等效转化，通过选取一条特性辅助线，把偏微分方程转化为具有同一解的常微分方程。在此基础上，通过转化方程组形式实现对问题的数值模拟。特征线法能将阻尼作为重要参数纳入水锤计算全过程，因此适用于各类较复杂的管路计算。同时，若采用数字仿真方法，该方法易于编写程序，且经编程设计后可具备较高的精度和较快的运算速度[5]。

图1 特征线示意图

特征线示意图如图 1 所示，在一段管道中，一般认为水锤波速 a 为一常量，因此 CF 与CR 为两条直线。管道中的 A、B 两点通过 CF 与 CR 这一组特征线相交于 P 点，对 AP 进行积分可以得到满足正向特征线的方程式，见公式（1），相对的，对 BP 进行积分可以得到满足反向特征性的方程式，见公式（2）。

1.2 现有水锤防护手段

为确保供水系统的安全与稳定运行，近年来已有多种类型的水锤防护装置被应用于实际工程中。随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，针对不同的工程条件，应结合管道布置形式、运行特性等因素，选取差异化的防护措施。在同一工程中，防护手段并非越多越好，单一措施也难以完全消除水锤风险。因此，通常需要在同一系统内合理组合多种高效措施，以兼顾经济性与防护效果，实现系统的安全、平稳运行。本文对近年来部分已建工程中的水锤防护方案进行了归纳与分析，可为后续的水锤防护研究与工程设计提供有价值的参考[6-8]。

表1 部分已建成工程的水锤防护方案

2 多功能水泵控制阀防护特性研究

2.1 多功能水泵控制阀介绍及工作原理

多功能水泵控制阀是一类依靠水流压力变化实现自动调节的自适应装置，能够适应多种类型的输水系统。其独特的带孔阀板与内部腔室结构，使其在运行过程中能够有效削减水锤带来的冲击危害。该控制阀的各组成部件之间可实现协调联动，从而在使用过程中避免因操作不当而引发安全事故。其工作原理是利用阀前与阀后的压力差自动调整开闭程度，在关阀时可实现分阶段、渐进式关闭，无需额外配置液压机构或复杂的控制系统，因此维护简单、可靠性高且寿命较长。此外，阀体内部采用流线型通道设计，显著降低了水流通过时的水头损失，具备显著的节能效果。该阀门同时集成了止回、液控蝶阀以及水锤消除等多种功能，并具备针对不同工况进行程序化控制的能力，因此在水利工程及水电站的输水环节中得到广泛应用[9]。

在初始工况下，多功能水泵控制阀的阀板处于全闭位置。当水泵进入正常运行阶段时，进水端的水压经旁通管传递至下腔，在进口端压力与水流作用下，主阀板及缓闭阀板逐渐开启。随着进水端压力持续作用，阀板被顶升至最大开度，其开度大小由实际流量控制。当出现事故停泵并伴随水锤现象时，阀门进口端压力迅速降低，此时出口端及隔膜上腔压力共同作用，使主阀板迅速关闭，截断大部分水流，抑制水锤压力的急剧上升。为减缓水锤冲击力，主阀板上设有泄流孔，通过形成上下腔压力差，使出口端水压经旁通管进入上腔，推动膜片压板，将下腔的水排回进口端，驱动缓闭阀板开始缓慢关闭。当缓闭阀板完全封闭泄流孔后，阀门恢复至初始的全闭状态[10]。

2.2 多功能水泵控制阀数学模型

多功能水泵控制阀作为一种水锤防护设施，与大部分阀门一样一般安装在水泵的出口端。一般情况下该段管段的高程较低。所以在输水系统运行时内水压力较大，在发生事故停泵时，水流会因为突然变化产生较大的水锤压力，导致管道压力超过管道设计的承压标准，此时多功能水泵控制阀会立即响应，在管道超过其设计压力时，自动打开一定开度开始泄水，以达到降低水锤压力的目的。根据多功能水泵控制阀的原理可得公式（3）和公式（4）：

H_P1=H_P2=H_P3=H_R

式中， Q_PI 、 Q_P2 、分别为多功能水泵控制阀上游、下游以及阀前流量， m³/s：H_PI，、H_P2. 、 H_P3 分别为多功能水泵控制阀的上游、下游以及阀前压力水头， m₀ 当 H_P 未达到多功能水泵控制阀的工作压力水头 H_max ，则 Q_P3=0 ；当 H_P 超过多功能水泵控制阀的工作压力水头H_max ，则阀门打开防止过大水锤压力。则此时的过阀流量为公式（5）所示：

式中， C_d 为流量系数； A_G 为多功能水泵控制阀开启后的过流截面积， m²：H₀ 为多功能水泵控制阀的阀后外部压力水头， m 。

3 工程案例

3.1 工程概况

本文以万州区枫木水库为研究对象。万州区枫木水库是一座具有场镇供水、农业灌溉及农村人畜饮水等综合利用功能的水利工程。坝址位于万州区恒河乡枫木村境内，属泥溪河上游左岸一级支流，磨刀溪二级支流小龙河上游河段，距恒河乡场镇约 7km ，距万州城区约70km。

该工程供水管道采用钢管。钢管道的粗糙系数 Π_ΠΠ_ΠΠ_Π 值取决于其内壁防腐的做法，按照水泥砂浆内衬的金属管道的内防腐做法，其粗糙系数为 n=0.012_c 。局部水头损失按沿程水头损失的10% 计算。经过多次计算比较，提水管道采用 DN400 钢管，设计流量 Q=0.19m³/s ，总长2763.05m ，到管道终点，管道水力参数见表 2

表2 水库工程管道水力计算表

泵站装机3 台，其中2 台为工作泵，1 台为备用泵。泵站及机组相关参数见表3-表 5

表3 泵站水力设计参数表

表5 泵站水泵机组主要技术参数表

表4 装机参数表

该工程泵站为地面式矩形泵房，泵房（净空）尺寸为 21.7×6.6m ，泵房主要分为水泵间和安装间，其中主机间净长 16.7m ，净宽 5.4m ，地面高程 1026.80m ，主机间进水侧设有 1.2m 宽的通道。主机间共设有3 台卧式多级离心泵，呈单列布置，水泵安装高程 1027.55m ，泵组间距为 5.2m ，相邻两台机组及机组至墙壁的净距均大于 1.2m 。检修间位于主机间右侧，净空长 5.0m ，与主机间错层布置，地面高程 1028.00m 。泵房顶部设置有一台 5t 电动葫芦，用于起吊泵组设备至安装间，轨顶高程 1033.00m

3.2 事故停泵过渡过程分析与防护措施

泵站设计流量为 0.19m³/s ，设计扬程 246m ，压力管道公称直径DN400，总长 2763.05m ，压力管道设计流速为 1.52m/s ，泵站采用的主要水锤防护措施是在水泵出口装设多功能水泵控制阀，要求事故停泵时泵站的水锤峰值（最高压力）≤1.3 倍水泵出口额定压力。

根据分析，多功能水泵控制阀在事故停泵工况下的水锤抑制效果，核心依赖于其分阶段关闭机制与泄压保护的协同作用。当水泵突发停止运行时，阀门通过快速关闭阶段迅速响应，主阀板在短时间内完成大部分行程，有效截断流体的大规模倒流。这一动作显著降低了由流

经计算，结果满足规范要求。测试表明，该泵站采用的主要水锤防护措施——多功能水泵控制阀，能够实现对水泵出口的缓慢开启、全开、缓闭、截止等多功能控制，抑制和减弱水泵启闭时管线的水锤水击，防止水倒流保护水泵，维护管路安全。同时在泵站输水管道上装设有空气阀和水锤泄放阀，当发生水锤时迅速开启泄放压力，能够有效保护输水管道系统，提升系统运行稳定性。

4 结语

本文通过理论分析与工程实例验证，研究表明多功能水泵控制阀在事故停泵引发的水锤防护中具有显著成效。该阀依托独特的自适应结构，构建了“ 快速截流—缓闭稳流—泄压削峰” 的三阶段调控机制：当发生停泵事故时，主阀板迅速关闭以阻断大部分倒流，有效抑制初始正压水锤峰值；随后进入缓闭阶段，通过阀板泄流孔控制回流速率，为阀后管段补充流体，降低水柱分离风险，并削弱二次压力波动；而集成的泄压单元在系统超压时自动开启旁路，将瞬时高压直接释放，对泵站近端管道尤为有效。

以万州区枫木水库DN400 输水管道为研究对象的测试结果显示，安装该阀后事故停泵最高压力为 261.58m ，升压比1.189，符合相关规范要求。与传统防护方式（如空气罐、泄压阀等）相比，多功能水泵控制阀集止回、液控、泄压等多种功能于一体，无需额外液压或控制系统，不仅保障防护性能，还有效降低系统复杂度与运维成本。本文进一步量化了阀门“ 两阶段关阀” 参数在水锤抑制中的关键作用，并结合工程实测数据，补充了复杂运行条件下防护设备的同步验证，为长距离、高扬程输水工程的安全设计提供了可靠的技术依据与优化参体动能骤减引发的初始正压水锤峰值，避免了管道系统承受突发高压冲击。测试记录表明，该阶段对抑制初始压力上升具有明确效果，但未量化具体百分比数值。

随后的缓闭阶段通过延长剩余阀位的关闭时间，允许少量流体缓慢回流。这一设计重点针对水柱分离风险进行干预，通过持续补充阀后管道流体，减少真空区的形成概率，从而抑制断流弥合水锤的产生。研究观察到，在长距离输水系统中，该机制有效降低了管道发生水柱分离的现象频率。同时，缓闭过程平抑了阀门完全闭合时可能引发的二次压力波动，使系统压力变化趋于平缓。

集成于阀体的泄压保护装置在压力骤升时自动激活，通过旁路释放局部高压流体，直接削减压力尖峰。根据测试记录显示，该功能对泵站近端管道的防护作用尤为显著。整个水锤控制过程通过“ 快速截流—缓闭稳流—泄压削峰” 的技术链条，将破坏性压力波动转化为可控能量消散。

本阶段对泵站进行了事故停泵水锤计算与分析，计算数据如表 6考。

表6 泵站事故停泵水锤初步计算成果表