高壓力大型浮船泵站水錘防護措施研究

袁 芳，劉志勇，張 陽

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065;2.武漢大學，湖北 武漢 430072)

1 概述

浮船泵站適用于水位變化幅度為10～35m，枯水期水深大于1.5m，河床穩定、河道水流平穩、風浪較小、停泊條件良好的取水工程[1]，具有制造簡便、施工周期短、造價低等優點。相較于傳統取水泵站，浮船取水水質較好，安全可靠，不受水位變化、漲落頻率變化等因素影響[2]。

根據近些年國內浮船泵站的文獻資料顯示，浮船泵站的研究主要為在水利、礦山等行業內的應用研究[3- 7]、設計參數分析[8- 10]和后期管理運行研究[11]。而泵站水錘防護措施研究則主要針對地面泵站，如高揚程大流量的泵站工程[12]、長距離大流量高揚程的輸水管線[13]等工程。

本文針對高壓力下的大型浮船泵站，以降低水錘壓力對浮船系統的沖擊為目標，結合實際案例，采用數值模擬的計算對比分析方法，研究空氣罐不同布置位置和增加中間止回閥后對泵站系統水錘壓力的影響。

2 工程概況

該浮船泵站位于金沙江右岸文化溝下游1.5km處，設計輸水流量1.32m3/s，采用浮船式泵房，泵房內布設6臺臥式多級離心泵(4用2備)，單機流量0.33m3/s，設計揚程362.76～385.36m，單機功率1800kW，總裝機10800kW。浮船泵站采用旋臂式，通過3根旋臂與岸上固定連接，主旋臂長50m，出水管道為單根DN1000鋼管，沿山坡山脊線布置，接入二級泵站進水前池，固定管線長810m，在樁號A0+056、0+576、0+690處設空氣閥。

3 水錘防護措施確定

3.1 水力過渡過程計算

首先采用特征線方法對整個管道輸水系統進行水力過渡過程計算，包括管道內點及與管道連接的泵裝置中的各部分邊界點。經計算，輸水系統初始恒定流計算結果如下：

(1)在相同的運行臺數下，凈揚程越小，水泵流量越大；在相同的凈揚程下，水泵運行臺數越多，單泵流量越小，但總流量越大，由于輸水管線較短，不同運行臺數時的水泵工作點變化不大；在設計凈揚程、設計運行臺數(4臺)下，單泵流量為0.379m3/s，水泵工作點位于高效區內；總供水流量為1.514m3/s，滿足供水流量需求。

(2)在不同水位組合和不同水泵運行臺數下，全線測壓管水頭線均在管頂線以上，無負壓出現。

在上述初設條件下，對無防護措施情況下的事故停泵水錘壓力進行計算，得出結論：在無水錘防護措施的條件下，發生4臺事故停泵、泵出口閥拒動時，水泵倒轉轉速不滿足GB 50265—2010《泵站設計規范》中的要求；管線中有汽化壓力出現，但單點的最大汽化體積較??；管線中的最大水錘壓力為初始恒定流壓力的1.20倍，滿足最大水錘壓力控制標準。因此，本系統的事故停泵水錘防護主要是解決水泵倒轉轉速超標和部分管段的負壓超標問題。

3.2 防護措施確定

為將機組的倒轉轉速和管線中的最大、最小水錘壓力控制在水錘防護標椎以內，本次擬定3種不同的水錘方案進行計算比較，即：防水錘型空氣閥方案、單向調壓塔+防水錘型空氣閥方案和空氣罐方案。經過計算對比，最終選定防負壓效果最好的空氣罐為本項目水錘防護措施，具體如下：

(1)泵出口閥3s線型關閉。

(2)泵后出水母管上安裝空氣罐，空氣罐總容積20m3，初設水體7.36m3，初設12.27m3，補水管直徑400mm，罐體直徑2.5m，罐體高度4m，初始水深1.5m。

4 空氣罐安裝位置對水錘壓力的影響

高壓力大型浮船泵站的設計需注意以下幾點：

(1)合理布置，盡量減小船體面積及高度，確保船體穩定性。目前已建的浮船泵站多為整體式布置，即機組、配電、控制、辦公管理等所有設備均集中布置在船上，船體多為2～3層，整體高度8～12m。本項目擬定將配電、控制和辦公設備布置在岸上，船上僅布置水泵機組及其附屬閥件等設備，以此減小船體面積和船體高度。

(2)高壓力下，浮船泵站的關鍵技術點為旋轉接頭處的承壓能力和密封技術。本項目運行水頭高達385m，設計壓力等級6.4MPa。浮船泵站運行過程中，其旋轉接頭需保證在正常運行和事故停泵時的旋轉功能和密封性能良好。由于事故停泵時的水錘壓力大于運行時的壓力，故應采取措施將旋轉接頭及其下游系統的壓力盡可能降到最低，并盡力阻止水錘波通過旋臂傳遞至船體及其設備。

基于以上2方面，對空氣罐不同布置位置情況下的水錘壓力進行模擬計算，同時研究增加中間止回閥后對水錘波傳遞的影響。

4.1 空氣罐布置在泵后的水錘壓力計算

影響空氣罐水錘防護效果的主要因素包括：初始水量、初始氣體體積和連接管直徑。空氣罐必須具有足夠的初始水量，保證在停泵后的壓力下降階段向主管內補水；又必須具有足夠的氣體體積，以滿足壓力升高時罐內氣體被壓縮，容納進入到空氣罐內的高壓水；同時，必須具有合適的連接管直徑，既要保證罐內水體能及時補充到主管中，又不至補入過多水體，導致空氣罐容積過大[14]。

考慮到在水泵出口設置空氣罐后，停泵時空氣罐內的水將倒流回進水池。因此，為盡量減小空氣罐容積，應盡可能縮短泵出口閥的關閉時間，本次按泵出口閥3s線性關閉考慮。根據空氣罐不同參數的試算結果，擬定罐體直徑2.5m，罐體高度4.0m，初始水深1.5m，補水管直徑0.4m。經模擬計算，4臺泵在不同凈揚程下全部事故停泵時的計算結果見表1。

由表1可知，在空氣罐防護、泵出口閥3s線性關閉、初始4臺運行全部事故停泵的條件下，機組的最大倒轉轉速、最大水錘壓力和最小水錘壓力均滿足水錘防護的要求。其水泵特征量的變化過程、沿線壓力包絡線、泵出口閥后點壓力的變化過程、空氣罐內水深變化過程如圖1所示。

從圖1(a)中可以看出，水泵在停泵后的0.27s開始倒流，在停泵后的第2.28s開始倒轉。水泵的最大倒轉轉速為其額定轉速的0.25倍，最大倒泄流量為額定流量的0.96倍。水泵的倒轉轉速滿足GB 50265—2010中規定的“離心泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍”要求。

表1 空氣罐防護的事故停泵水錘計算結果 單位：m

圖1 事故停泵水力過渡過程計算結果(4臺運行全部停，泵后空氣罐、關閥，最高凈揚程)

從圖1(b)(c)中可以看出，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為466.72m，是管線中的最大水錘壓力，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.21倍；管線中的最小水錘壓力為1.11m，無負壓出現，安裝的空氣閥在停泵過程中未動作。

從圖1(d)中可以看出，當管線中的水頭低于空氣罐內的水頭時，空氣罐向管道內補水；當管線中的水頭高于空氣罐內的水頭時，管道內的水流向空氣罐。空氣罐內的初始水深為1.5m，最小水深為0.73m，最大水深為1.87m。

4.2 空氣罐布置在岸邊浮船旋轉接頭下游側的水錘壓力計算

為了進一步減小停泵時水錘波對浮船旋轉接頭的壓力沖擊，將空氣罐布置在岸上固定管道的起點后。初擬空氣罐尺寸與4.1節相同，將補水管直徑調整為0.3m。經模擬計算，該方案下4泵運行，全部同時停泵的事故停泵水錘計算結果詳見表2，其沿線壓力包絡線、泵出口閥后點和空氣罐安裝點壓力的變化過程如圖2所示

從圖2中可見，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為424.30m，是管線中的最大水錘壓力，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.10倍；空氣罐安裝點的最大水錘壓力為392.41m，為該點初始恒定流壓力353.91m的1.11倍；管線中的最小水錘壓力為-0.36m。

表2 調整空氣罐位置后的事故停泵水錘計算結果 單位：m

圖2 事故停泵水力過渡過程計算結果(4臺運行全部停，岸邊空氣罐，關閥，最高凈揚程)

4.3 增加中間止回閥后的管道水錘模擬計算

為盡可能減小停泵水錘波對船體及其設備造成沖擊，在岸邊空氣罐與旋轉接頭之間安裝緩閉止回閥，口徑與主管直徑相同(DN1000)。首先對中間止回閥的關閉規律進行計算分析，再以該關閉規律為前提對空氣罐設置的必要性進行分析。

4.3.1中間止回閥關閉規律確定

經過模擬計算，該方案在最高凈揚程下，4泵運行，全部同時停泵、中間止回閥不同關閉規律的事故停泵水錘計算結果見3。從表3可知：

(1)與無中間閥相比，中間止回閥關閉的速度越快，水泵出口閥點的最大水錘壓力越??；當中間止回閥的關閉速度為15s線性關閉時，水泵出口閥后點的最大、最小水錘壓力與無中間閥的情況基本相同。說明中間閥的關閉可阻止水倒流后產生的正壓波向泵船傳播。

(2)中間閥關閉速度越快，其上游的最小水錘壓力越小。說明水開始倒流后，中間閥不合理的快速關閉會導致其上游點(泵船側)出現較大的壓力下降，甚至出現汽化壓力。

(3)由于空氣罐的穩壓作用，中間閥的關閉速度對中間閥下游(出水池側)點水錘壓力的影響很小。

(4)根據計算結果，建議中間止回閥采用2階段關閉：快關3s-80%(3秒關閉閥門開度的80%)，慢關12s-20%(12秒關閉閥門開度剩余的20%)。

4.3.2空氣罐設置的必要性分析

設置中間止回閥后，采用快關3s-80%，慢關12s-20%的2階段關閉規律后，對有無空氣罐時的水錘壓力進行計算對比。經計算，在最高凈揚程下，4泵運行，全部同時停泵、有無空氣罐條件下的事故停泵水錘計算結果對比詳見表4。

從表4可知，僅僅設置中間止回閥不能消除管線中的水柱分離，水泵出口仍有較大的水錘壓力，且壓力波動的幅度較大。因此，空氣罐的設置是必要的。

4.3.3不同凈揚程下的水錘壓力結果

根據以上計算分析，以設空氣罐、中間止回閥的防護方案為前提，采用上述關閉規律、計算4臺泵停泵時不同凈揚程下的事故停泵水錘壓力，計算結果見表5，其沿線壓力包絡線、泵出口閥后點、中間閥上游點(泵船側)、中間閥下游點(出水池側)的壓力變化過程如圖3中的(a)(b)。

表3 中間止回閥不同關閉規律的事故停泵水錘計算結果 單位：m

表4 有無空氣閥的事故停泵水錘計算結果對比 單位：m

圖3 事故停泵水力過渡過程計算結果(4臺運行全部停，岸邊空氣罐，中間閥，最高凈揚程)

表5 不同凈揚程下的事故停泵水錘計算結果 單位：m

從圖3中可知，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為393.25m，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.02倍；中間閥下游點(出水池側)的最大水錘壓力為391.97m，為該點初始恒定流壓力353.91m的1.11倍；管線中的最小水錘壓力為-0.18m。

5 結語

經過對本工程的計算對比分析可知，對于高壓力大型浮船泵站，水錘防護措施采用“泵后止回閥+岸邊空氣罐+中間止回閥”方案，防護效果較好?？諝夤拊O置在岸邊旋轉接頭后可在一定程度上降低泵后的最大水錘壓力。浮船岸邊旋轉接頭后設置中間止回閥不能取代空氣罐的水錘防護功能，但可以一定程度阻止水倒流后產生的正壓波向泵船傳播，泵出口的水錘壓力有所降低，且泵船與中間止回閥之間管段的壓力波動持續時間大大縮短，有利于泵船的穩定。

本次研究是基于初步設計的理論研究，施工前應根據最終的工程布置、設備參數等進行復核計算，確保工程建設的準確性。