高揚(yáng)程泵站事故停泵水錘復(fù)核計(jì)算

任寶紅

（延安南溝門水利樞紐工程有限責(zé)任公司，陜西 延安 716000）

0 前言

近年來(lái)我國(guó)的水利事業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，工業(yè)及生活用水與供水不足之間的矛盾也成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展及限制人民生活水準(zhǔn)的主要因素。為了解決這一矛盾，很大一批供水工程尤其是長(zhǎng)距離調(diào)水工程逐步上馬，其中有很多涉及多級(jí)泵站提水工程。高揚(yáng)程泵站在運(yùn)行過(guò)程中遇到突然失電的情況下，管道中水瞬間倒流，泵站控制系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉工作閥，在關(guān)閥過(guò)程中倒流的水遇阻產(chǎn)生水錘對(duì)管道及機(jī)組產(chǎn)生一定程度的破壞，合理的水錘防護(hù)方案對(duì)確保泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

南溝門水庫(kù)北線供水工程為陜北黃土高原地區(qū)泵站提水工程，二級(jí)泵站華能電廠方向設(shè)計(jì)揚(yáng)程300 m，為減少泵站設(shè)置，采用多級(jí)離心泵高揚(yáng)程供水，在水錘防護(hù)方面采取了兩階段關(guān)閉、壓力罐、水擊泄放閥、線路空氣閥組合式的水錘防護(hù)方案，確保泵站運(yùn)行過(guò)程中突然失電后能正常關(guān)機(jī)，防止水擊破壞。本文以南溝門水庫(kù)北線供水工程二級(jí)泵站華能電廠方向水錘防護(hù)方案為例，依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)組合式水錘防護(hù)方案的合理性進(jìn)行復(fù)核。

1 系統(tǒng)參數(shù)

1.1 進(jìn)出水池參數(shù)設(shè)定

起點(diǎn)：二級(jí)站進(jìn)水池；終點(diǎn)：二級(jí)站末端出水池；進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位847.38 m；出水池設(shè)計(jì)水位1108.5 m（原設(shè)計(jì)水位1130 m，末端出水池未建成，實(shí)際水位1108.5 m）；設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程282.62 m（現(xiàn)有條件實(shí)際凈揚(yáng)程：261.12 m）[1]。

1.2 泵站內(nèi)參數(shù)設(shè)定

二級(jí)站華能電廠方向設(shè)計(jì)安裝3臺(tái)臥式離心泵（2用1備），性能參數(shù)表1。

表1 水泵參數(shù)表

水泵額定轉(zhuǎn)速nr=2980 r/min；水泵額定流量Qr=0.12 m3/s；水泵額定揚(yáng)程Hr=299.8 m；水泵額定效率ηr＝80.9%；水泵額定功率=435 kW；配套電機(jī)YXVF4506-2，額定功率 ND=560 kW；機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=29.8 kg·m2；水泵比轉(zhuǎn)數(shù)：

表2 水泵吸水支管、出水支管參數(shù)表

水錘波速計(jì)算公式：

1.2.1 輸水管路參數(shù)設(shè)定

表3 輸水母管參數(shù)表

圖1 輸水母管縱向布置圖（左線）

圖2 輸水母管縱向布置圖（右線）

1.2.2 水頭損失計(jì)算

總水頭損失=沿程水頭損失+局部水頭損失，即h總=h沿+h局，沿程水頭損失采用下列曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，局部水頭損失取沿程水頭損失的15%，即h總=1.15h沿[2]。

h沿=（鋼管的糙率n=0.0015、球墨鑄鐵管的糙率n=0.012）

1.3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，采用雙管供水，泵后閥全開(kāi)，得到穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行工況見(jiàn)圖3。

圖3 雙泵雙管運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況圖

2 水錘防護(hù)遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范GB50265-2010》，當(dāng)事故停泵采取防護(hù)措施或方案后，瞬態(tài)特性參數(shù)應(yīng)滿足下列條款的規(guī)定[4]：

1）離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過(guò)2 min。

2）最高壓力不超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3倍～1.5倍。

為保證工程的安全運(yùn)行，取系統(tǒng)最高壓力不超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3倍。

3）輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范GB50265-2010》，計(jì)算中取負(fù)壓的防護(hù)準(zhǔn)則為：水體在最高水溫下不汽化。當(dāng)?shù)睾芨叱倘≥斔芫€最高點(diǎn)的海拔高程，即海拔高程為1108.5 m，則大氣壓頭=8.89 m；當(dāng)?shù)刈罡咚疁厝?0℃，則水的飽和汽化壓頭=0.43 m；輸水管道直徑D=0.40 m。為防止管道內(nèi)的水體汽化，取安全余量H余=2 m。則對(duì)于本工程管道中心線的壓力取值為：

3 防護(hù)方案下事故停泵水錘復(fù)核

3.1 水錘防護(hù)方案

南溝門北線供水工程二級(jí)站華能電廠方向最終采用液控兩階段關(guān)閉偏心半球閥+防水錘壓力罐+水擊泄放閥的組合水錘防護(hù)方案。

3.2 水錘防護(hù)方案復(fù)核計(jì)算及各防護(hù)設(shè)備的工作狀態(tài)

計(jì)算采用美國(guó)hammer軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下[3]：

兩泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵出現(xiàn)事故停機(jī)。

左線最大壓力293.6 m，發(fā)生于樁號(hào)0+000處；相對(duì)于此處的正常工作壓力，最大壓力倍數(shù)1.05；最小壓力-0.35 m，發(fā)生于樁號(hào)4+431處；

右線最大壓力293.61 m，發(fā)生于樁號(hào)0+000處；相對(duì)于此處的正常工作壓力，最大壓力倍數(shù)1.05；最小壓力-0.41 m，發(fā)生于樁號(hào)4+456處。

事故停泵后，管道內(nèi)壓力先急劇下降，隨后回升，再波動(dòng)后最終穩(wěn)定于出水池水位。閥門完全關(guān)閉后，管道內(nèi)產(chǎn)生的水力波動(dòng)不大。

事故停泵后后，水泵流量逐漸減小，轉(zhuǎn)速下降，揚(yáng)程逐漸降低。隨著閥門逐漸關(guān)閉，倒流流量趨向于零，最終水泵揚(yáng)程、機(jī)組倒轉(zhuǎn)也逐漸趨于零。

水泵處的水流在停泵后3.2 s開(kāi)始倒流，最大倒流流量-0.06 m3/s，由于關(guān)閥時(shí)間較快，水泵并沒(méi)有發(fā)生倒轉(zhuǎn)。因壓力罐的作用，雖然關(guān)閥時(shí)間較快，并沒(méi)有引起較大的壓力升高。

泵后液控閥在停泵后2 s快關(guān)至90%行程，余下的10%行程采用10 s關(guān)完；閥出口的壓力先降低后回升，經(jīng)波動(dòng)后逐漸趨于穩(wěn)定，最大壓力293.66 m，升壓比1.05倍；閥門處的水流在停泵后3.2 s開(kāi)始倒流，最大倒流流量0.06 m3/s，隨著閥門的逐漸關(guān)閉，流量最終趨于零。

事故停泵后，壓力罐處的壓力降低，罐內(nèi)空氣迅速膨脹，罐內(nèi)的水在空氣壓力作用下迅速向主管補(bǔ)水，罐內(nèi)水體積及水深逐步減小。當(dāng)水錘波反射傳回，管道中的壓力上升，高壓水流入壓力罐中，罐內(nèi)空氣被壓縮，罐內(nèi)水體積及水深逐步增大；罐內(nèi)初始水體積6.68 m3，最大水體積7.02 m3，最小水體積5.01 m3，最大水深1.85 m，最小水深1.32 m。

事故停泵后，壓力罐處的壓力及罐內(nèi)空氣壓力先降低后回升，經(jīng)波動(dòng)后最終穩(wěn)定于出水池水位；壓力罐處的最大壓力293.63 m，罐內(nèi)最大空氣壓力304.62 m；

事故停泵后，壓力罐的水先向管道補(bǔ)水，高壓波返回時(shí)，管道中的水又會(huì)流入壓力罐中，經(jīng)波動(dòng)后最終趨于穩(wěn)定；在停泵后7.7 s，壓力罐向管道補(bǔ)水流量達(dá)到了最大，最大出水流量0.159 m3/s；在停泵后34.3 s，管道中的水流入壓力罐中的流量達(dá)到了最大，最大進(jìn)水流量0.096 m3/s。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，南溝門水庫(kù)北線供水工程二級(jí)泵站華能電廠方向水錘防護(hù)方案經(jīng)計(jì)算復(fù)核規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)復(fù)核，南溝門水庫(kù)北線供水工程二級(jí)泵站華能電廠方向水錘防護(hù)方案經(jīng)計(jì)算復(fù)核規(guī)范要求。泵站安全運(yùn)行需要能應(yīng)對(duì)各種工況的運(yùn)行要求，事故停泵后的水錘是會(huì)對(duì)泵站造成毀滅性的破壞的一種最不利工況，設(shè)計(jì)人員在水錘防護(hù)計(jì)算、方案必選及設(shè)備選型方面要經(jīng)過(guò)多重復(fù)核，工程管理人員在工程建設(shè)過(guò)程中也要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)備采購(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)安裝，同時(shí)要考慮現(xiàn)場(chǎng)大的施工變更對(duì)水錘計(jì)算造成的參數(shù)變化。在泵站的運(yùn)行過(guò)程中，有條件的情況下必要對(duì)水錘防護(hù)的可靠性進(jìn)行必要的驗(yàn)證，同時(shí)要定期觀測(cè)防護(hù)設(shè)備的工作穩(wěn)定性。