張建勛，葛 曦，黃正財(cái)，楊 超

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

提水泵站布置在某水庫(kù)大壩左岸下游約300 m處坡地，年總供水量為1 931×104m3，供水范圍總面積為19.32 km2。由大壩取水口取水后，經(jīng)提水泵站加壓至擬建高位水池，再由輸水管道重力輸水至擬建水廠，設(shè)計(jì)總流量0.796 m3/s。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)綜合考慮機(jī)電設(shè)備投資、運(yùn)行檢修費(fèi)用以及泵站功能等因素，確定泵站機(jī)組型式為臥式單吸雙級(jí)離心泵，泵站供水機(jī)組設(shè)工作泵2臺(tái)，備用機(jī)組1臺(tái)，單泵流量為0.398 m3/s。

2 泵站基本參數(shù)

1) 進(jìn)水池水位最高水位1 373.21 m；設(shè)計(jì)水位1 360.70 m；最低水位1 360.10 m。

2) 出水池水位最高水位1 544.80 m；設(shè)計(jì)水位1 543.80 m；最低水位1 542.00 m。

3) 供水設(shè)計(jì)流量0.796 m3/s。

4) 進(jìn)水管線長(zhǎng)度350 m，出水管線長(zhǎng)度4 697 m；進(jìn)水管徑1 000 mm，出水單管管徑(共2根)700 mm；水頭損失10.9 m。

5) 最高揚(yáng)程195.60 m；設(shè)計(jì)揚(yáng)程194.00 m；最低揚(yáng)程179.69 m。

3 附屬設(shè)備布置

為控制水錘以及滿足機(jī)組開(kāi)停機(jī)運(yùn)行的要求，在每臺(tái)水泵的出口設(shè)置一臺(tái)多功能水泵控制閥，該閥具有兩段關(guān)閉的特點(diǎn)與功能，可有效防止水錘壓力升高。型號(hào)為多功能水泵控制閥，公稱直徑DN450 mm，公稱壓力4.0 MPa。

為機(jī)組檢修方便，水泵出口須設(shè)置出口檢修閥門(mén)。出口檢修閥門(mén)設(shè)在多功能水泵控制閥之后，考慮到高位水池較高，出口檢修閥型式為電動(dòng)雙面硬密封旋球閥。型號(hào)為電動(dòng)雙面硬密封旋球閥，公稱直徑DN450 mm，公稱壓力4.0 MPa。

為機(jī)組檢修方便，水泵進(jìn)口須設(shè)置進(jìn)口檢修閥門(mén)，進(jìn)口檢修閥型式為半球閥。型號(hào)為半球閥，公稱直徑DN500 mm，公稱壓力1.0 MPa。

4 水錘計(jì)算約束條件

根據(jù)本泵站的實(shí)際情況與《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

最高壓力不應(yīng)超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；最高反轉(zhuǎn)速不應(yīng)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)間不應(yīng)超過(guò)2 min；輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

5 建模計(jì)算分析

5.1 停泵水錘原理

水泵機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速恒定，產(chǎn)生的壓力不變，水流正常穩(wěn)定的流動(dòng)。當(dāng)機(jī)組突然失去動(dòng)力后，水泵轉(zhuǎn)速下降，產(chǎn)生的壓力變小，在水泵出口處形成壓力降，此壓力波降從管線首端向高位水池處傳遞，形成朝向泵站的水擊壓力波，如果以泵站處位置為x=0,x的正方向是由泵站指向高位水池；流速V的正方向與x相同，可得到在停泵水錘瞬態(tài)過(guò)程中水頭H及流速V隨時(shí)間t和x而變化的關(guān)系式，即得到停泵水錘基本方程組式為：

(1)

(2)

式(1)、式(2)可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

H=H0+F+f

(3)

(4)

因?yàn)镕是降壓波總值，本身為負(fù)，故上式還可改寫(xiě)為：

H=H0-|F|+f

(5)

(6)

以上各式統(tǒng)稱為停泵水錘基本方程組，它是計(jì)算水錘的基本方程式，也是Bentley-Hammer軟件的理論支撐。

5.2 建 模

模型的建立是實(shí)現(xiàn)水錘計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的實(shí)際布置形式，建立二維水力計(jì)算模型，真實(shí)反映供水管線和輸水管線的空間位置關(guān)系，是準(zhǔn)確計(jì)算水錘結(jié)果的前提。建模時(shí)，供水管線的距離、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程都要詳細(xì)地反映出來(lái)。對(duì)于上水管線較長(zhǎng)的情況，要著重選擇一些特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行建模，這些點(diǎn)不僅能反映上水管線的大概布置形式，對(duì)于管線中的低洼點(diǎn)、駝峰點(diǎn)也要能準(zhǔn)確地反映出來(lái)。建模見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 二維水錘計(jì)算模型圖

圖2 模型管線剖面布置圖

5.3 計(jì)算分析

該泵站水泵從庫(kù)內(nèi)取水提水至高位水池，供水水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為194 m，泵站進(jìn)水主管1根，直徑1 000 mm、長(zhǎng)約350 m；出水主管2根，單管直徑700 mm、長(zhǎng)約4 697 m。本階段以一根主管相關(guān)聯(lián)的2臺(tái)工作機(jī)組同時(shí)斷電作為過(guò)渡過(guò)程計(jì)算工況。

1) 首先計(jì)算當(dāng)2臺(tái)水泵同時(shí)斷電、閥門(mén)不關(guān)閉情況下的最大壓力和最高反轉(zhuǎn)速。此時(shí)沒(méi)有采取任何防水錘措施，完全讓上水管線中的水流倒流入水泵，這個(gè)過(guò)程計(jì)算的目的是了解一下在這種情況下水泵是否會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，如果有反轉(zhuǎn)的情況，那么時(shí)間是否在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算后，水泵處壓力最高為195.3 mH2O，反轉(zhuǎn)速為-4 200 r/min，管道多處出現(xiàn)真空值壓力為-10 mmH2O。此種情況下產(chǎn)生的水錘壓力并不高，在規(guī)范要求范圍內(nèi)，但水泵的反轉(zhuǎn)速和管道的真空度卻超過(guò)規(guī)范要求，因此要采取一定的防水錘措施。

2) 當(dāng)2臺(tái)工作泵同時(shí)斷電，分別設(shè)定泵后閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為4，5和6 s，在不加任何水錘防護(hù)措施下對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。此計(jì)算的目的是在不加任何防水錘措施(這里指水擊閥門(mén))情況下，依靠多功能控制閥設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行關(guān)閉，驗(yàn)算此時(shí)的最大壓力值、水泵是否反轉(zhuǎn)及管道真空度。經(jīng)軟件計(jì)算后，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同關(guān)閥時(shí)間、無(wú)任何防護(hù)措施下計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，關(guān)閥時(shí)間越短，產(chǎn)生的水錘壓力就越大，4 s時(shí)產(chǎn)生的壓力為設(shè)計(jì)壓力的2.25倍，6 s時(shí)產(chǎn)生的壓力為設(shè)計(jì)壓力的2.13倍,均超過(guò)規(guī)范要求，且真空度都達(dá)到軟件規(guī)定的下限值，但水泵均未出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。因此，下一步的計(jì)算就要考慮降低壓力，消除管道真空的現(xiàn)象。

3) 當(dāng)2臺(tái)工作泵同時(shí)斷電，分別設(shè)定泵后閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為4，5和6 s，在水泵出口上水管線處設(shè)置水擊泄放閥，設(shè)置閥門(mén)的泄放壓力為200 mH2O(進(jìn)行了多次試算)，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同關(guān)閥時(shí)間、有水擊泄放閥的計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，當(dāng)設(shè)置水擊泄放閥后，壓力有了明顯的降低。其中，4 s時(shí)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.32倍，6 s時(shí)的壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.27倍，基本在規(guī)范要求范圍內(nèi)，且水泵無(wú)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但管道真空現(xiàn)象依然存在。因此，下一步任務(wù)就是要消除管道真空。

4) 在上一步的基礎(chǔ)上，考慮到管道真空產(chǎn)生的原因，結(jié)合管道的剖面布置圖，在管線較陡的位置和駝峰處設(shè)置空氣閥。本泵站考慮在樁4+565.18、樁4+625.754(空氣閥的位置也要經(jīng)過(guò)多次布置、反復(fù)驗(yàn)算才能得到)處設(shè)置2個(gè)快吸慢排型防水錘型空氣閥，并設(shè)置空氣閥的開(kāi)啟時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，設(shè)置水擊泄放閥和空氣閥后，管線已經(jīng)無(wú)負(fù)壓出現(xiàn)，水泵無(wú)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，閥門(mén)處的最大壓力值4 s時(shí)是設(shè)計(jì)壓力的1.18倍，6 s時(shí)是設(shè)計(jì)壓力的1.14倍，相比第3)步的水擊壓力總體上均有所下降，說(shuō)明真空度的出現(xiàn)對(duì)壓力的上升也有一定的影響。

表3 不同關(guān)閥時(shí)間、有水擊泄放閥和空氣閥的計(jì)算結(jié)果

5.4 防護(hù)措施的確定

綜合以上情況分析，推薦出口閥門(mén)采用一段關(guān)閉方式，關(guān)閉時(shí)間為5 s，對(duì)應(yīng)的壓力包絡(luò)圖見(jiàn)圖3-圖5。

出水總管始端設(shè)置水擊泄放閥，參數(shù)為DN300 mm，PN4.0 MPa；在上水管線樁4+565.18、樁4+625.754兩處設(shè)置快吸慢排防水錘型空氣閥，參數(shù)為DN200 mm，PN2.5 MPa。

圖3 5 s關(guān)閉無(wú)任何水錘防護(hù)措施

圖4 5 s關(guān)閉+水擊泄放閥

圖5 5 s關(guān)閉+水擊泄放閥+空氣閥(樁4+565.18、樁4+625.754)

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 利用Bentley-Hammer軟件計(jì)算泵站水錘，建模是最基本也是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，參照泵站布置圖和供水管線布置圖，建立符合實(shí)際情況的模型圖，重點(diǎn)反映水源與水泵之間、水泵和高位水池之間管道的連接情況。對(duì)于上水管線較長(zhǎng)的情況，在坡度較陡的管線段和駝峰點(diǎn)處，可適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)的選取。

2) 利用Bentley-Hammer軟件計(jì)算泵站水錘，要按照一定步驟循序漸進(jìn)計(jì)算，先計(jì)算出口閥門(mén)拒動(dòng)情況下是否出現(xiàn)反轉(zhuǎn)和管道真空的情況；然后計(jì)算泵控閥門(mén)在不同的設(shè)定時(shí)間下，出現(xiàn)的壓力值多少、水泵是否反轉(zhuǎn)、管道真空情況；最后結(jié)合出現(xiàn)的情況，分別采取措施降低閥門(mén)處壓力和消除管道真空。

3) 水擊泄放閥或水擊預(yù)防閥開(kāi)閥臨界值的設(shè)定，可先選擇一個(gè)理論值，在此基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)算，結(jié)合其泄放流量的合理性和對(duì)最大壓力的降低效果，確定開(kāi)閥值。

4) 為解決管道出現(xiàn)真空的情況，在上水管線上布置空氣閥，空氣閥不是越多越好，亦不可盲目布置，要在管線較陡、駝峰點(diǎn)處、管線末端處等關(guān)鍵位置適當(dāng)布置，然后不斷進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)算，確定其最佳安裝位置。