大管徑高揚程泵站工程水錘防護措施分析

范勇鋒

大管徑高揚程泵站工程水錘防護措施分析

范勇鋒

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

以新疆YEEQ工程中大口徑、高揚程輸水管道為例，通過對通常的水錘防護措施進行計算分析研究，最終確定本工程采用單向調壓塔+進排氣閥綜合防護措施，可以有效地降低整個管道的水錘壓力，達到消除水錘負壓，降低水錘正壓的目的。

高揚程；泵站；輸水管道；水錘；調壓塔

1 工程概況

YEEQ工程位于新疆北疆地區(qū)，為長距離壓力輸水管道工程，布置于揚水泵站與輸水隧洞之間，主要由鋼岔管段、壓力管道段、管道出口段等建筑物組成。該工程主要解決哈密地區(qū)工業(yè)園工業(yè)用水問題。

工程泵站設計揚程為186 m，泵站共安裝6臺流量為3.25 m3/s臥式雙級雙吸離心泵（4臺工作，2臺備用）。其中，3臺水泵并聯(lián)在一根管路上，正常運行時單根管路上為2臺流量為3.25 m3/s水泵并聯(lián)運行。壓力管道為雙線布置，設計流量為13 m3/s，管線長11.16 km，管徑為DN2400 mm，最大工作壓力1.98 MPa，管材選用涂塑鋼管（7.34 km）+PCCP管（3.82 km）。

2 水錘防護問題的提出

在長距離輸水系統(tǒng)中，突發(fā)性的事故停泵將引起管道內水流速度的突然變化，從而導致管道內壓力大幅度升高、降低交替變化，形成水錘。較大的水錘升壓和降壓、甚至出現(xiàn)負壓對泵站機組和壓力管道都是有危害性的。

本文首先研究分析了壓力管道不采取無任何水錘防護措施，在設計水位工況下，事故停泵時的水錘壓力情況。計算結果分別見圖1～3。

由計算結果可以看出：（1）無防護措施時，2臺機組停機過渡過程中管路系統(tǒng)的最大壓力為303 m，出現(xiàn)在泵站出口處。最小壓力-8 m，管線后半段多處出現(xiàn)汽化。末端出水池在事故停泵292 s后全部流空。（2）從水泵出口流量、壓力和轉速隨時間變化曲線上可以看出，事故停泵發(fā)生9.2 s后泵開始出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，最大倒流流量3.2 m3/s，21s后水泵開始出現(xiàn)倒轉現(xiàn)象，最大倒轉轉速25 r/s，超過額定轉速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求[1]。

圖1 壓力包絡線

圖2 泵出口流量和壓力隨時間變化曲線

圖3 泵轉速隨時間變化曲線

由以上分析可知，在無防護措施的情況下，事故停泵后，壓力管道出現(xiàn)了較大的正水錘壓力值，同時沿線多處出現(xiàn)負壓，水泵倒轉轉速超出規(guī)范要求[1]。因此，應對壓力管道進行水錘計算分析和防護設計，確定合理的水錘防護方案，從而確保壓力管道工程的安全運行。

3 停泵水錘分析及防護措施

泵站揚水管道工程通常采用的水錘防護措施主要有：單向調壓塔、水錘消除罐和箱式雙向調壓塔[2-4]等。目前，我國已建泵站工程水錘防護措施部分運用實例見表1。

本工程管線縱向布置均為仰坡，沿線無凸點，根據(jù)水錘防護初步分析管道沿線防護任務主要為消除負壓。考慮到箱式雙向調壓塔除了設置塔室外，在消除負壓時需另設補水池配合工作，補水池的容積及高程同單向調壓塔，其工程布置比單向調壓塔和水錘消除罐相對復雜。因此，本工程未考慮箱式雙向調壓塔方案。

本工程水錘防護方案根據(jù)工程特點及運用實例初擬：水錘消除罐方案、單向調壓塔方案、水錘消除罐方案+單向調壓塔方案。

水錘防護的設計技術要求主要為：泵站機組采用臥式泵布置方式，水泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續(xù)時間不應超過2 min，啟泵壓力最大不超過水泵零流量時水泵出口壓力；保證管線最小壓力大于2 m，管線停泵時最大壓力不超過260 m。

各防護方案下的計算情況如下：

3.1 單向調壓塔防護方案

在管道沿線設置6個單向調壓塔，1#調壓塔，直徑4 m，初始液面高度6 m，設置在樁號6+480處；2#調壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設置在樁號8+056處；3#調壓塔，直徑5 m，初始液面高16 m，樁號9+025；4#調壓塔，直徑4.5 m,初始液面高度14 m，設置在樁號9+589處；5#調壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設置在樁號10+291處；6#調壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設置在樁號10+937處。

此方案泵后關閥程序為兩階段線性關閥，快關時間8 s，關閉85%，慢關時間64 s，關閉15%。

圖4是在設計水位工況時，設置該防護措施的情況下，2臺機組停機過渡過程，管路系統(tǒng)的壓力包絡線，管路最小壓力2.26 m，最大壓力259 m，泵的最大倒流流量2.48 m3/s，最大倒轉轉速19.98 r/s，未超過額定轉速的1.2倍。均滿足要求。

3.2 空氣罐防護方案

在管道8+725出加裝一個水錘消除罐#1，初始液面高3.3m，罐高4 m，直徑3 m；在樁號9+589處裝兩個水錘消除罐#2，#3，在樁號10+491裝一個水錘消除罐#4，均為初始液面高3m，罐高4 m，直徑3 m。

此方案泵后關閥程序為兩階段線性關閥，快關時間8s，關閉85%，慢關時間64 s，關閉15%。

圖6是在設計水位工況時，在該防護措施的情況下，2臺機組停機過渡過程，管路系統(tǒng)的壓力包絡線，最大壓力366 m，最小壓力-1.72m，整個管線無汽化現(xiàn)象，泵最大倒流流量為3.5m3/s，倒轉為29r/s，超過額定轉速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求。

圖4 壓力包絡線

圖5 泵轉速隨時間變化曲線

圖6 壓力包絡線

圖7 泵轉速隨時間變化曲線

3.3 單向調壓塔+空氣罐防護方案

在管道沿線加裝1個空氣罐，3個調壓塔。空氣罐為安裝在樁號7+388處，直徑3.5 m，高4 m，液位高3.3 m；調壓塔分別為：1#在樁號9+589處，直徑5 m，液位高14 m；2#在樁號10+ 291處，直徑5 m，液位高10 m，3#在樁號10+937處，直徑5 m，液位高12 m。

該方案關閥程序為兩階段線性關閥，快關時間8 s，關閉85%，慢關時間64 s，關閉15%。計算結果如圖8，管線最大壓力為287 m，出現(xiàn)在泵出口處，最低壓力為2.16 m，泵最大倒流流量為2.6 m3/s，最大倒轉速度19.97 r/s，未超過額定轉速的1.2倍。可以看出管線最大壓力不滿足技術要求。

表1 國內泵站工程水錘防護措施部分應用實例表

圖8 力包絡線

通過以上計算結果分析可知，三種水錘防護方案中，僅單向調壓塔方案滿足設計要求，因此本工程中推薦采用該方案。工程中防護措施具體布置如下：

在管道沿線設置6個單向調壓塔，具體布置見表2和圖9。每個塔防護單根管線，在泵出口主管上安裝超壓泄壓閥：口徑600 mm，整定壓力232 m；在管道沿線或局部高點安裝9個普通空氣閥（口徑400 mm），具體樁號如下：0+500，1+700，2+ 805，3+805，4+805，5+805，7+480，8+480，10+589。

采用該措施下能夠保證機組在兩臺泵同時失電的情況下：系統(tǒng)最大壓力259 m，最小壓力2.26 m，關閥情況下可以保證泵倒轉不超過額定轉速的1.2倍，滿足防護要求。

表2 管道沿線調壓塔布置表

圖9 管道沿線調壓塔布置圖

4 結論

本文分別對泵后水錘防護措施采用單向調壓塔、空氣罐、單向調壓塔+空氣罐方案進行了分析研究。

由上述結果顯示：（1）安裝空氣罐的方案只能有效控制管線6+480附近的負壓，對于管道后半段，空氣罐對負壓的控制效果并不理想，由于受空氣罐容積有限的影響，空氣罐對正壓的防護也不理想，計算結果中最大正壓為366 m，大大超出了設計要求，同時水泵倒轉為29 r/s，超過額定轉速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求；（2）采用單向調壓塔+空氣罐方案防護效果中，因為泵后最大正壓為287 m，也不滿足設計要求；（3）單向調壓塔方案的防護效果最優(yōu)，各項結果指標均能滿足要求，因此本工程中宜推薦采用該方案。

[1]取水輸水建筑物叢書——泵站.北京：中國水利水電出版社，2004.

[2]柳宗仁.停泵水錘計算及其防護措施[J].甘肅水利水電技術，2004,40(3).

[3]林琦、劉志勇等.長管道輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程分析與防護[J].中國農(nóng)村水利水電，2011，2.

[4]李江、徐燕等.高揚程泵站工程水錘防護計算研究[J].水利規(guī)劃與設計，2014，11.

TU991.3

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1673-9000（2017）02-0064-03

2016-12-05

范勇鋒（1984-），男，陜西渭南人，工程師，主要從事水利工程設計工作。