大型泵站管道水力過渡過程計算及防護研究

丁銀劍

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆YE供水二期輸水工程SS段線路全長106.055km，主要由SJZ泵站、壓力管道、輸水隧洞及尾部KMS水庫等建筑物組成。

SJZ泵站設計揚程為186m，泵站內共安裝6臺(四用兩備)主泵及2臺充水泵，泵后分別設有DN1200及DN700軸流式止回閥。主泵采用臥式雙級雙吸離心泵，單泵流量為3.25m3/s。充水泵采用臥式單級雙吸離心泵，單泵流量為1m3/s。3臺主泵并聯在一根管路上，正常工況下，單根管路上為2臺流量為3.25m3/s的主泵并聯運行或1臺主泵與1臺充水泵并聯運行，出水管路總水頭損失約為0.2447×Q2。

泵后壓力管道總長11.16km，為DN2400壓力鋼管，雙管并行布置，設計流量為13m3/s，最大工作壓力為1.98MPa。管道出口為2600m3的出水池。

為減少水錘防護的難度，壓力管道在布置上避免了兩頭低、中間高的凸點，基本為一路上坡，前半段較為平緩，后半段進入山區后較陡，由于地形原因，全線縱向共布置4個上折點(膝部)。

2 問題的提出

在長距離、大流量、高揚程輸水管路中，水錘現象是影響工程安全運行不可忽視的重要因素，尤其是突發性的事故停機時產生的停泵水錘，將會造成離心泵反轉，引發管道內流速的瞬時變化，從而引起管壓的急劇升高或降低，并引發反復交替性的水錘力。這種現象會對泵站機組、管道及其附屬設備造成破壞，因此，如何選擇安全、可靠的水錘防護措施，對于長距離、高揚程輸水管路至關重要。本文重點分析SJZ泵站事故停泵時的水錘防護措施。

3 水錘防護措施的選擇

根據國內當前水錘防護技術水平和通用防護措施，常見的事故停泵水錘防護措施包括：泵后止回閥、單(雙)向調壓塔、調壓罐、空氣閥、超壓泄壓閥及箱式雙向調壓塔等。

3.1 止回閥

(1)液控緩閉止回閥(兩階段關閉)：泵站停泵后，水流從正向流動變為逆向流動，為了降低關閥水錘，泵后緩閉止回閥分兩階段關閉，80%左右快關，20%左右慢閉，以降低動態水壓至較低水平。

(2)軸流式止回閥(速閉)：“零流速”關閉，能防止水泵及驅動電動機反轉，同時閥盤關閉不會產生巨大的水擊力，從而實現靜音效果，其最大功能是消除了由流速變化引起的水錘升壓。

3.2 雙向調壓塔

雙向調壓塔既可在管道低壓時向管道內注水，防止管道出現斷流，避免出現斷流彌合水錘，也可以在管道出現過高的正壓水錘波時，消減過高的水錘升壓，是較好的水錘防護措施之一。

3.3 單向調壓塔

單向調壓塔僅能防止管道內出現負壓，而對管道出現正壓波沒有作用。且應注意冬季保溫，逆止閥及液控閥需定期維護。

3.4 空氣罐

空氣罐為密閉的高壓容器，其上部為高壓氣體，下部為水體，底部通過連通管與主管道相連，隨著管路中壓力的變化，氣壓罐向管道補水或吸收管道中過高壓力，抗水錘原理上與雙向調壓塔類似。其構造簡單，自動運行，避免了如水錘消除器等裝置因設備故障或人為原因造成的事故。

3.5 箱式雙向調壓塔

箱式雙向調壓塔實際上相當于一個閥門。管道超壓時泄水降壓，相當于泄壓閥的功能；當管道負壓時，打開閥門向管道內補水，相當于單向調壓塔的功能。由于本工程管道均是仰坡，根據水錘防護初步分析管道沿線防護任務主要為消除負壓。箱式雙向調壓塔在消除負壓時需另設補水池配合工作，其工程布置比單向調壓塔相對復雜。

通過以上分析，并結合大量的工程，實踐表明，長距離輸水管線的水錘防護不可能單獨依靠一種設備來實現，必須依靠多種水錘防護設備互相協調、互相配合才能有效地對水錘進行防護。

針對本工程的特點，選擇的調壓設施為：軸流式止回閥+雙向調壓塔+空氣罐，空氣閥及超壓泄壓閥只作為安全儲備措施，不參與水力過渡過程計算。

4 計算分析

4.1 主要技術參數

泵站進、出水池水位級水泵機組主要參數見表1—2。

表1 泵站進、出水池水位

表2 水泵機組主要參數

4.2 計算原則

根據規范并結合本工程特點，本工程水力過渡過程計算原則如下：

(1)根據管道承壓能力，沿線最大壓力不超過260m水頭。

(2)管道沿線管頂最小壓力不小于2m水頭。

(3)離心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時間不應超過2min。

4.3 計算工況

工況組合見表3。

表3 工況組合

4.4 計算過程

根據工程布置，擬定在管線中后部設置一處空氣罐和一處雙向調壓塔，其具體參數及位置見表4。

表4 調壓設施布置表

其中，單個空氣罐體積為28.61m3，水氣比為1∶1。空氣罐有并聯及梯形兩種布置方式，在并聯布置中，如圖1所示，每個空氣罐均有一根補水管，長度為12.5m，管徑為250mm，所有管道局部損失系數取5，每個空氣罐在主管上的間隔為5m；在梯形布置中，如圖2所示，取與空氣罐直連的接管(即圖中的32、30、27、28管道)管徑為250mm，管長為2.5m，管道局部損失系數取3，而其余接管管徑均取500mm，管長為5m，管道局部損失系數取1；雙向塔與主管連接管長度取15m，管徑為800mm，局部損失系數取為1。

圖1 空氣罐并聯布置圖

圖2 空氣罐梯形布置圖

(1)工況一

空氣罐并聯布置，計算一管雙機的事故停泵工況，2臺水泵設計流量均為3.25m3/s，水泵出口為軸流式止回閥。掉電后，當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關閉，零流速時關死。

計算結果：最大壓力為232m水頭，出現在閥門出口處，管中心最小壓力為2.67m水頭，機組最小轉速為13.2r/min，無倒轉，空氣罐最低水位為1.56m，有較大安全余量。調壓塔最低涌浪為16.6m，最高涌浪為34.2m，出水池水位下降約0.35m。計算結果符合過渡過程控制標準，壓力包絡線如圖3所示。

圖3 工況一壓力包絡線

(2)工況二

空氣罐梯形布置，計算一管雙機的事故停泵工況，2臺水泵設計流量均為3.25m3/s，水泵出口為軸流式止回閥。掉電后，當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關閉，零流速時關死。

計算結果：最大壓力為235m水頭，出現在閥門出口處，管中心最小壓力為2.51m，機組最小轉速為13.2r/min，無倒轉，空氣罐最低水位為1.26m，有較大安全余量。調壓塔最低涌浪為17.6m，最高涌浪為33.1m，出水池水位下降約0.29m。計算結果符合過渡過程控制標準，壓力包絡線如圖4所示。

圖4 工況二壓力包絡線

(3)工況三

空氣罐并聯布置，計算一管雙機的事故停泵工況，1臺水泵設計流量為3.25m3/s，另1臺水泵設計流量為1m3/s，水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后，當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關閉，零流速時關死。

計算結果：最大壓力為216m水頭，出現在閥門出口處，管中心最小壓力為4.5m水頭，大機組最小轉速為13.7r/min，無倒轉，小機組最小轉速為26.4r/min，無倒轉，空氣罐最低水位為1.75m，有較大安全余量。調壓塔最低涌浪為19.2m，最高涌浪為33.5m，出水池水位下降約0.27m。計算結果符合過渡過程控制標準，壓力包絡線如圖5所示。

圖5 工況三壓力包絡線

(4)工況四

空氣罐梯形布置，計算一管雙機的事故停泵工況，1臺水泵設計流量為3.25m3/s，另1臺水泵設計流量為1m3/s，水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后，當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關閉，零流速時關死。

表5 各工況計算結果一覽表

計算結果：最大壓力為226m水頭，出現在閥門出口處，管中心最小壓力為4.6m水頭，大機組最小轉速為13.2r/min，無倒轉，小機組最小轉速為26.6r/min，無倒轉，空氣罐最低水位為1.52m，有較大安全余量。調壓塔最低涌浪為19.9m，最高涌浪為32.5m，出水池水位下降約0.25m。計算結果符合過渡過程控制標準，壓力包絡線如圖6所示。

圖6 工況四壓力包絡線

5 結語

經過對本工程的計算分析可知，對于長距離、大流量、高揚程輸水管線，雙向調壓塔與空氣罐結合的水錘防護措施能有效地降低水錘壓力，并控制負壓在理想狀態。

對空氣罐并聯布置和梯形布置的計算結果顯示，兩種布置對防護效果影響較小，可根據實際情況選取合適的布置形式。

計算中需注意，空氣罐的接管的局部損失系數對結果影響較大，特別是對于正壓的影響，建議其取值不應小于本次計算中的取值，如果實際管道不滿足局部損失系數的要求，應考慮增大局部損失系數，在實際工程施工中，建議盡量接近本次計算的取值，否則應進行復核計算。