寇盼 劉超

摘要：枯木河一級(jí)浮船泵站為漂浮式浮船泵站，系統(tǒng)采用泵流輸水方式，流量大、管道布置隨地形起伏變化劇烈，需要對(duì)正常供水和事故停泵等工況下管道系統(tǒng)中的供水量、水泵效率、管道沿程壓力變化進(jìn)行分析。為保證該泵站水力過渡過程安全運(yùn)行，借鑒類似泵站工程水力過渡計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)狀基礎(chǔ)資料對(duì)該泵站水力過渡過程進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議在輸水系統(tǒng)9處關(guān)鍵點(diǎn)位均安裝“快進(jìn)慢排”防水錘型空氣閥，閥門關(guān)閉程序?yàn)?.0 s關(guān)閉80%，剩余20%開度用10 s關(guān)完。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似輸水工程借鑒。

關(guān) 鍵 詞：

浮船泵站； 水力過渡計(jì)算； 水錘防護(hù)； 枯木河

中圖法分類號(hào)： TV675

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.044

0 引 言

在過去的幾十年中，中國(guó)在泵站工程領(lǐng)域取得了巨大突破，諸多抽水泵站借此修建，相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并應(yīng)用于實(shí)踐［1］。為確保泵站安全運(yùn)行，延長(zhǎng)泵站使用年限，泵站工程在設(shè)計(jì)階段的水力過渡過程模擬計(jì)算就顯得尤為重要［2-6］。

許多學(xué)者在抽水泵站的水力過渡計(jì)算和水錘防護(hù)領(lǐng)域都有研究，林紅玉等針對(duì)水錘波速對(duì)長(zhǎng)距離泵站輸水管路中斷流水錘的影響進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，給出了水流中斷的管路水錘防護(hù)建議［7-8］；蔣竹荷等基于瞬變流模型，對(duì)長(zhǎng)距離污水壓力管道的水錘風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析并提出了綜合防護(hù)措施［9］；李玲玲等結(jié)合云南省當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，對(duì)高揚(yáng)程大型浮船取水泵站水錘防護(hù)措施進(jìn)行探討，從瞬變流有無保護(hù)兩方面對(duì)泵站水力過渡過程進(jìn)行模擬，給出了水錘防護(hù)的建議［10］。

本文基于前人對(duì)抽水泵站水力過渡過程的分析和計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)枯木河一級(jí)浮船泵站水力過渡過程進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)值模擬仿真計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行了安全運(yùn)行評(píng)估，給出了該泵站的水錘防護(hù)措施建議。

1 工程概況

枯木河一級(jí)浮船泵站工程位于麗江市永勝縣魯?shù)乩畮鞄靺^(qū)枯木河右岸以南，照壁山東北側(cè)及西南角。泵站以東50 m有縣道一條，交通相對(duì)便利。輸水壓力管道由浮船聯(lián)絡(luò)管和岸上輸水管道兩部分組成，浮船聯(lián)絡(luò)管長(zhǎng)度為98.59 m，岸上輸水管道長(zhǎng)度為861.25 m。管徑DN500，其中明管長(zhǎng)137.937 m，埋管長(zhǎng)723.308 m。

2 水錘計(jì)算依據(jù)

2.1 《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求

（1） 7.2.3條：管頂線宜布置在最低壓力坡度線下，壓力不小于0.02 MPa。當(dāng)出水管道線路較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在管線隆起處設(shè)置排（補(bǔ)）氣閥，其數(shù)量和直徑應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定。當(dāng)管線豎向布置平緩時(shí)，宜間隔1 000 m左右設(shè)置一處通氣設(shè)施。

（2） 7.3.2條：出水管道應(yīng)進(jìn)行包括水力損失及水錘在內(nèi)的水力計(jì)算。

（3） 9.4.1條：有可能產(chǎn)生水錘危害的泵站，在各設(shè)計(jì)階段均應(yīng)進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算。

（4） 9.4.2條：當(dāng)事故停泵瞬態(tài)特性參數(shù)不能滿足下列要求時(shí)，應(yīng)采取防護(hù)措施：

① 離心泵最高反轉(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；

② 立式機(jī)組低于額定轉(zhuǎn)速40%的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)超過2 min；

③ 最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；

④ 輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

2.2 《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定

（1） 7.3.7條：輸水管道系統(tǒng)的水錘防護(hù)設(shè)計(jì)宜綜合采用防止負(fù)壓和減輕升壓的措施。

（2） 7.3.8條：輸水管道系統(tǒng)中用于水錘控制的管道空氣閥的位置、型式和口徑，應(yīng)根據(jù)瞬態(tài)水力過渡過程分析計(jì)算，并結(jié)合7.5.7條的規(guī)定綜合考慮確定。

（3） 7.5.7條：輸水管（渠）道隆起點(diǎn)上應(yīng)設(shè)通氣設(shè)施，管線豎向布置平緩時(shí)，宜間隔1 000 m左右設(shè)一處通氣設(shè)施。配水管道可根據(jù)工程需要設(shè)置空氣閥。

3 水錘計(jì)算邊界條件

3.1 泵端邊界條件

在水力過渡過程中，連續(xù)方程、水頭平衡方程、負(fù)特征線方程、水泵機(jī)組慣性方程與水泵全特性方程構(gòu)成了同型號(hào)水泵并聯(lián)的泵端邊界條件。

3.2 水柱分離模型

在本文研究中，將發(fā)生水柱分離之前和水柱彌合之后的水流視作連續(xù)流體，采用特征線法進(jìn)行水錘計(jì)算，而一旦發(fā)生水柱分離，則按照水柱分離數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)分離水柱之間的體積全部由蒸汽填充，其內(nèi)部壓力等于水的汽化壓力。

3.3 空氣閥邊界條件

當(dāng)管道內(nèi)壓力低于大氣壓時(shí)，吸入空氣，而當(dāng)管道中壓力上升，高于大氣壓時(shí)，排出空氣。防水錘型空氣閥有兩個(gè)浮筒：一個(gè)大浮筒和一個(gè)小浮筒，分別負(fù)責(zé)低壓快速進(jìn)氣和高壓慢速排氣，可有效防護(hù)水錘。

3.4 上下游恒定水位池邊界

對(duì)于容積大的水池（或水庫），短時(shí)間內(nèi)池水位（或庫水位）是不會(huì)發(fā)生變化的，即管道入口處的水池水頭為常數(shù)，如圖1所示。

上游為恒定水位水池的邊界方程：

Hu=HR1-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（1）

下游為恒定水位水池的邊界方程：

Hd=HR2-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（2）

式中：HR1為上游水池水面與基準(zhǔn)線的高差，m；HR2為下游水池水面與基準(zhǔn)線的高差，m；Hu為上游水池出口處的測(cè)壓管水頭，m；Hd為下游水池進(jìn)口處的測(cè)壓管水頭，m；Qp為管道流量，m3/s；A為管道過流面積，m2；ζ1和ζ2分別為上、下游水池出口水頭損失系數(shù)。

當(dāng)管道流速水頭和進(jìn)口阻力水頭損失系數(shù)較小而可以忽略時(shí)，上下游為恒定水位，水池的邊界方程可簡(jiǎn)化為

Hu=HR1

Hd=HR2（3）

4 模型建立

4.1 浮船泵站及通岸工程

（1） 浮船泵站管道組成。浮船泵站過水管道由圓管、漸變管、彎頭、“Y”形搖臂組成。

（2） 通岸管路。通岸工程將浮船泵站連接上岸，由“Y”形搖臂、圓管和跳船組成。

4.2 管道基本參數(shù)及高程線

枯木河船塢泵站供水系統(tǒng)中浮船泵站后接輸水管道，全長(zhǎng)861.245 m，管壁厚度10 mm。泵站出水管線縱向高程如圖2所示。

4.3 管道水頭損失

管道內(nèi)壁摩阻水頭損失對(duì)管道系統(tǒng)輸水特性有重要影響，本文采用Colebrook-White近似公式計(jì)算水頭損失：

1f=-2lgε/D3.7+2.51Ref（4）

式中：f為Darcy-Weisban摩擦系數(shù)；ε為管道內(nèi)壁粗糙度，此處取2.5×10-5 m；雷諾數(shù)Re=vDγ；D為管道內(nèi)徑。

4.4 水錘波速計(jì)算

水錘波速是影響水錘最大、最小壓力的主要因素之一，根據(jù)其定義可知，水錘波速主要與水的壓縮性和管道彈性有關(guān)：

a=14351+KD/（Eδ）（5）

式中：鋼管道的彈性模量E=19.61×1010 N/m2。水的體積彈性模量K=19.6×108 N/m2，管道直徑D=0.5 m，管道壁厚δ=0.01 m。計(jì)算可知管道中的水錘波速為a=1 172 m/s。

4.5 水泵及閥門

4.5.1 水泵參數(shù)取值

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，擬選取YOS150-540型水泵。水泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的計(jì)算分析中，只需給出水泵的基本性能參數(shù)即可。但在瞬態(tài)運(yùn)行水錘計(jì)算分析中，還需給出水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦扭矩、電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)比取值。

已知本次研究中水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.72 kg·m2，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為5 kg·m2。

配套異步電動(dòng)額定電壓為380 V，額定功率為185 kW。

摩阻扭矩τf取0.010405405 N·m，比轉(zhuǎn)速ns取60.75。

4.5.2 閥門類型

根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料，管道系統(tǒng)中安裝的閥門類型主要有3種：多功能水泵控制閥、空氣閥和空氣罐。

（1） 多功能水泵控制閥。

控制閥安裝于水泵出口處，用于水泵正常啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)對(duì)水泵安全運(yùn)行進(jìn)行控制?？刂崎y的內(nèi)徑與管道內(nèi)徑相同，本次研究中，不同運(yùn)行情況時(shí)控制閥運(yùn)行各不相同，將在后面章節(jié)分析中具體給出。

（2） 空氣閥。

空氣閥主要用于排出管道中的空氣，以及負(fù)壓時(shí)從外界向管道中進(jìn)氣，保護(hù)管道系統(tǒng)。

（3） 空氣罐。

空氣罐主要用于保證系統(tǒng)的平穩(wěn)用氣，降低氣流脈動(dòng)的作用，從而減小系統(tǒng)壓力波動(dòng)，在系統(tǒng)內(nèi)水壓輕微變化時(shí)，能保證系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定，保護(hù)管道系統(tǒng)。

4.6 邊界條件

根據(jù)工程設(shè)計(jì)方提供的資料，可查得泵站運(yùn)行最高水位1 225.60 m，設(shè)計(jì)水位1 216.00 m，設(shè)計(jì)枯水位1 212.00 m，出水池最高水位1 305.30 m，設(shè)計(jì)水位1 305.00 m，最低水位1 302.90 m。

5 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)算

5.1 泵站正常運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)施方案，分別對(duì)泵站輸水系統(tǒng)在3種水位下正常運(yùn)行時(shí)的水泵工況點(diǎn)進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

從計(jì)算結(jié)果可知，由于水庫水位變幅較大，水泵型號(hào)按照最大凈揚(yáng)程工況確定，當(dāng)輸水系統(tǒng)在最小凈揚(yáng)程工況下運(yùn)行時(shí)，流量大于設(shè)計(jì)流量，但未出現(xiàn)電機(jī)超載現(xiàn)象，因此水泵機(jī)組可以正常運(yùn)行。

5.2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)泵站輸水系統(tǒng)在3種水位正常運(yùn)行時(shí)的工作壓力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3～5。

5.3 小 結(jié)

根據(jù)泵站輸水系統(tǒng)正常工作壓力計(jì)算結(jié)果可知，在3種水位下輸水系統(tǒng)正常工作時(shí)測(cè)壓管水頭均在管頂高程線以上，可以安全運(yùn)行。

6 水力過渡過程計(jì)算

泵站兩臺(tái)機(jī)組在3種水位下并聯(lián)運(yùn)行，分別對(duì)事故停泵后不采取防護(hù)措施和采取防護(hù)措施后引起的水力過渡過程進(jìn)行計(jì)算。

6.1 無防護(hù)措施

在最大凈揚(yáng)程工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，如果無防護(hù)措施，水泵機(jī)組持續(xù)倒轉(zhuǎn)，水泵最大反轉(zhuǎn)速度為-2 040 r/min，不符合規(guī)范要求，因此需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù)。

在最小凈揚(yáng)程工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，如果不采取防護(hù)措施，輸水系統(tǒng)壓力升高不大，但是由于水流倒流輸水管道，出現(xiàn)較大負(fù)壓區(qū)，水泵機(jī)組持續(xù)倒轉(zhuǎn)，不符合規(guī)范要求，因此需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù)。

在設(shè)計(jì)水位工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，如果無防護(hù)措施，輸水系統(tǒng)壓力升高不大，但是由于水流倒流輸水管道，出現(xiàn)較大負(fù)壓區(qū)，水泵機(jī)組持續(xù)倒轉(zhuǎn)，水泵最大反轉(zhuǎn)速度為-1 944 r/min，不符合規(guī)范要求，因此需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行防護(hù)。

6.2 有防護(hù)措施

在最大凈揚(yáng)程工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，采用負(fù)壓區(qū)加空氣閥方案防護(hù)措施，多功能水泵控制閥3 s關(guān)閉80%，10 s關(guān)閉20%時(shí)，系統(tǒng)最大壓力水頭為147 m，是泵出口正常工作壓力水頭（98.29 m）的1.5倍，沿線最小壓力水頭線均大于管道高程，水泵最大反轉(zhuǎn)速度為-1 834 r/min。系統(tǒng)最大、最小壓力水頭和轉(zhuǎn)速均符合規(guī)范要求。

在最小凈揚(yáng)程工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，采用負(fù)壓區(qū)安裝空氣閥方案防護(hù)措施，多功能控制閥門關(guān)閉程序?yàn)?.0 s關(guān)閉80%，剩余20%開度10 s關(guān)完，系統(tǒng)最大壓力水頭為116.40 m，是泵出口正常工作壓力水頭83.88 m的1.39倍，沿線最小壓力水頭為-2.66 m，水泵最大倒轉(zhuǎn)速為-1 679 r/min。系統(tǒng)最大、最小壓力水頭和轉(zhuǎn)速均符合規(guī)范要求。

在設(shè)計(jì)水位工況下，2臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電后，采用負(fù)壓區(qū)安裝空氣閥方案防護(hù)措施，多功能控制閥門關(guān)閉程序?yàn)?.0 s關(guān)閉80%，剩余20%開度10 s關(guān)完，系統(tǒng)最大壓力水頭為142.45 m，是泵出口正常工作壓力水頭96.25 m的1.48倍，沿線最小壓力水頭-2.09 m，水泵最大反轉(zhuǎn)速度-1 849 r/min。系統(tǒng)最大壓力、最小壓力水頭和轉(zhuǎn)速均滿足規(guī)范。

7 結(jié) 語

綜合3種工況下的水錘防護(hù)措施，最終建議輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)措施為：樁號(hào)0+003.050、0+104.538、0+201.441、0+301.479、0+412.788、0+510.274、0+650.862、0+774.513、0+853.503（共9處）均安裝“快進(jìn)慢排”防水錘型空氣閥，空氣閥進(jìn)氣孔徑為100 mm，排氣孔徑為5 mm。管線上多功能控制閥門關(guān)閉程序?yàn)橛?.0 s關(guān)閉80%，剩余20%開度用10 s關(guān)完。

工程使用的水泵多功能控制閥、防水錘型空氣閥等水錘防護(hù)設(shè)備，工程正式運(yùn)行前應(yīng)由供貨廠家對(duì)設(shè)備進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)試設(shè)置。

根據(jù)GB 50265-2022《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》9.4節(jié)內(nèi)容，建議水泵出口取消安裝止回閥，輸水管道通徑600 mm以下安裝水泵多功能控制閥，600 mm 以上采用兩階段液控止回球閥。

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（編輯：胡旭東）