范勇鋒

大管徑高揚(yáng)程泵站工程水錘防護(hù)措施分析

范勇鋒

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

以新疆YEEQ工程中大口徑、高揚(yáng)程輸水管道為例，通過對(duì)通常的水錘防護(hù)措施進(jìn)行計(jì)算分析研究，最終確定本工程采用單向調(diào)壓塔+進(jìn)排氣閥綜合防護(hù)措施，可以有效地降低整個(gè)管道的水錘壓力，達(dá)到消除水錘負(fù)壓，降低水錘正壓的目的。

高揚(yáng)程；泵站；輸水管道；水錘；調(diào)壓塔

1 工程概況

YEEQ工程位于新疆北疆地區(qū)，為長(zhǎng)距離壓力輸水管道工程，布置于揚(yáng)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(shè)計(jì)揚(yáng)程為186 m，泵站共安裝6臺(tái)流量為3.25 m3/s臥式雙級(jí)雙吸離心泵（4臺(tái)工作，2臺(tái)備用）。其中，3臺(tái)水泵并聯(lián)在一根管路上，正常運(yùn)行時(shí)單根管路上為2臺(tái)流量為3.25 m3/s水泵并聯(lián)運(yùn)行。壓力管道為雙線布置，設(shè)計(jì)流量為13 m3/s，管線長(zhǎng)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(hù)問題的提出

在長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中，突發(fā)性的事故停泵將引起管道內(nèi)水流速度的突然變化，從而導(dǎo)致管道內(nèi)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(fù)壓對(duì)泵站機(jī)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(hù)措施，在設(shè)計(jì)水位工況下，事故停泵時(shí)的水錘壓力情況。計(jì)算結(jié)果分別見圖1～3。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）無防護(hù)措施時(shí)，2臺(tái)機(jī)組停機(jī)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(zhuǎn)速隨時(shí)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(zhuǎn)現(xiàn)象，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速25 r/s，超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求[1]。

圖1 壓力包絡(luò)線

圖2 泵出口流量和壓力隨時(shí)間變化曲線

圖3 泵轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

由以上分析可知，在無防護(hù)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(shí)沿線多處出現(xiàn)負(fù)壓，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超出規(guī)范要求[1]。因此，應(yīng)對(duì)壓力管道進(jìn)行水錘計(jì)算分析和防護(hù)設(shè)計(jì)，確定合理的水錘防護(hù)方案，從而確保壓力管道工程的安全運(yùn)行。

3 停泵水錘分析及防護(hù)措施

泵站揚(yáng)水管道工程通常采用的水錘防護(hù)措施主要有：?jiǎn)蜗蛘{(diào)壓塔、水錘消除罐和箱式雙向調(diào)壓塔[2-4]等。目前，我國(guó)已建泵站工程水錘防護(hù)措施部分運(yùn)用實(shí)例見表1。

本工程管線縱向布置均為仰坡，沿線無凸點(diǎn)，根據(jù)水錘防護(hù)初步分析管道沿線防護(hù)任務(wù)主要為消除負(fù)壓?？紤]到箱式雙向調(diào)壓塔除了設(shè)置塔室外，在消除負(fù)壓時(shí)需另設(shè)補(bǔ)水池配合工作，補(bǔ)水池的容積及高程同單向調(diào)壓塔，其工程布置比單向調(diào)壓塔和水錘消除罐相對(duì)復(fù)雜。因此，本工程未考慮箱式雙向調(diào)壓塔方案。

本工程水錘防護(hù)方案根據(jù)工程特點(diǎn)及運(yùn)用實(shí)例初擬：水錘消除罐方案、單向調(diào)壓塔方案、水錘消除罐方案+單向調(diào)壓塔方案。

水錘防護(hù)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求主要為：泵站機(jī)組采用臥式泵布置方式，水泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2 min，啟泵壓力最大不超過水泵零流量時(shí)水泵出口壓力；保證管線最小壓力大于2 m，管線停泵時(shí)最大壓力不超過260 m。

各防護(hù)方案下的計(jì)算情況如下：

3.1 單向調(diào)壓塔防護(hù)方案

在管道沿線設(shè)置6個(gè)單向調(diào)壓塔，1#調(diào)壓塔，直徑4 m，初始液面高度6 m，設(shè)置在樁號(hào)6+480處；2#調(diào)壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設(shè)置在樁號(hào)8+056處；3#調(diào)壓塔，直徑5 m，初始液面高16 m，樁號(hào)9+025；4#調(diào)壓塔，直徑4.5 m,初始液面高度14 m，設(shè)置在樁號(hào)9+589處；5#調(diào)壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設(shè)置在樁號(hào)10+291處；6#調(diào)壓塔，直徑4.5 m，初始液面高度14 m，設(shè)置在樁號(hào)10+937處。

此方案泵后關(guān)閥程序?yàn)閮呻A段線性關(guān)閥，快關(guān)時(shí)間8 s，關(guān)閉85%，慢關(guān)時(shí)間64 s，關(guān)閉15%。

圖4是在設(shè)計(jì)水位工況時(shí)，設(shè)置該防護(hù)措施的情況下，2臺(tái)機(jī)組停機(jī)過渡過程，管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速19.98 r/s，未超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。均滿足要求。

3.2 空氣罐防護(hù)方案

在管道8+725出加裝一個(gè)水錘消除罐#1，初始液面高3.3m，罐高4 m，直徑3 m；在樁號(hào)9+589處裝兩個(gè)水錘消除罐#2，#3，在樁號(hào)10+491裝一個(gè)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(guān)閥程序?yàn)閮呻A段線性關(guān)閥，快關(guān)時(shí)間8s，關(guān)閉85%，慢關(guān)時(shí)間64 s，關(guān)閉15%。

圖6是在設(shè)計(jì)水位工況時(shí)，在該防護(hù)措施的情況下，2臺(tái)機(jī)組停機(jī)過渡過程，管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線，最大壓力366 m，最小壓力-1.72m，整個(gè)管線無汽化現(xiàn)象，泵最大倒流流量為3.5m3/s，倒轉(zhuǎn)為29r/s，超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求。

圖4 壓力包絡(luò)線

圖5 泵轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖6 壓力包絡(luò)線

圖7 泵轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

3.3 單向調(diào)壓塔+空氣罐防護(hù)方案

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

該方案關(guān)閥程序?yàn)閮呻A段線性關(guān)閥，快關(guān)時(shí)間8 s，關(guān)閉85%，慢關(guān)時(shí)間64 s，關(guān)閉15%。計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)速度19.97 r/s，未超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍?？梢钥闯龉芫€最大壓力不滿足技術(shù)要求。

表1 國(guó)內(nèi)泵站工程水錘防護(hù)措施部分應(yīng)用實(shí)例表

圖8 力包絡(luò)線

通過以上計(jì)算結(jié)果分析可知，三種水錘防護(hù)方案中，僅單向調(diào)壓塔方案滿足設(shè)計(jì)要求，因此本工程中推薦采用該方案。工程中防護(hù)措施具體布置如下：

在管道沿線設(shè)置6個(gè)單向調(diào)壓塔，具體布置見表2和圖9。每個(gè)塔防護(hù)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(diǎn)安裝9個(gè)普通空氣閥（口徑400 mm），具體樁號(hào)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(jī)組在兩臺(tái)泵同時(shí)失電的情況下：系統(tǒng)最大壓力259 m，最小壓力2.26 m，關(guān)閥情況下可以保證泵倒轉(zhuǎn)不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，滿足防護(hù)要求。

表2 管道沿線調(diào)壓塔布置表

圖9 管道沿線調(diào)壓塔布置圖

4 結(jié)論

本文分別對(duì)泵后水錘防護(hù)措施采用單向調(diào)壓塔、空氣罐、單向調(diào)壓塔+空氣罐方案進(jìn)行了分析研究。

由上述結(jié)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(fù)壓，對(duì)于管道后半段，空氣罐對(duì)負(fù)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(duì)正壓的防護(hù)也不理想，計(jì)算結(jié)果中最大正壓為366 m，大大超出了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)水泵倒轉(zhuǎn)為29 r/s，超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，不滿足規(guī)范要求；（2）采用單向調(diào)壓塔+空氣罐方案防護(hù)效果中，因?yàn)楸煤笞畲笳龎簽?87 m，也不滿足設(shè)計(jì)要求；（3）單向調(diào)壓塔方案的防護(hù)效果最優(yōu)，各項(xiàng)結(jié)果指標(biāo)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(guó)水利水電出版社，2004.

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

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

[4]李江、徐燕等.高揚(yáng)程泵站工程水錘防護(hù)計(jì)算研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014，11.

TU991.3

B

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(shè)計(jì)工作。