大流量、高揚程、長距離供水泵站水錘防護措施

陳 衛

(昆明民用建筑設計研究院有限公司，云南 昆明 650034)

1 工程概況

某工業園區供水工程，受水源條件和地形條件限制，原水經凈水廠處理后需經泵站提升后供用戶使用，泵站供水量為日供水量為15萬t/d，水泵分為兩組，每組供水量為7.5萬t/d，按照工業園區內用水企業的用水要求，泵站供水能力需要靈活調度，故每組水泵由4臺泵組成(不含備用泵)，形成單臺泵運行、2臺泵并聯運行、3臺泵并聯運行、4臺泵并聯運行四種工況。泵站出水采用2根DN800 mm鋼管輸送至用戶，管道長度為6 840 m，管道中途翻越1處駝峰，水泵所需最大揚程為216 m。選擇雙吸單級離心泵，單臺泵技術參數如下：①揚程(m)：220.5～216～209；②流量(m3/h)：800～1 000～1 200；③效率(%)： ≥75，≥80，≥80；④必須汽蝕余量(NPSHr)：≤5.0 m～≤5.0 m～≤5.0 m；⑤水泵轉速：<1 500 rpm； ⑥水泵出口直徑(mm)：250；⑦水泵比轉速ns約為40.8；⑧ 水泵轉動慣量J為16 kg·m2(不含水及聯軸器)；⑨配套電機型號:Y450-4(IP23/10 kV)，100 kW；⑩電機的轉動慣量GD2：電機轉動慣量22.1 kg·m2，電機允許負載轉動慣量為265 kg·m2。

2 泵站水錘的危害

在泵站中，機組的啟動和停機、閥門開啟和關閉、水泵轉速或葉片角度的變化等都會使管道內流速發生變化，使管道中的水流產生相應的沖量，從而使其壓力發生變化。單位時間內的動量變化越大，管道中的壓力變化也越大，由此產生的沖擊力也越大。該力作用在管道和水泵的部件上猶如錘擊，致使管道破裂，設備損壞，這就是泵站水錘。

泵站水錘可分為關閥水錘、啟動水錘和停泵水錘等。一般情況下啟動水錘不大，只是在空管的情況下，當管中空氣不能及時排出而被壓縮時才會加劇水流壓力的變化。關閥水錘在正常操作時不會引起過大的水錘壓力。由于突然停電或誤操作造成的事故停泵所產生的停泵水錘往往數值較大，一般可達正常壓力的1.5～4倍，甚至更大，破壞性強，常造成意外損失。因此，對停泵水錘必須進行認真分析，以便采取必要的防護措施。

3 事故停泵過渡過程的計算與分析

事故停泵水錘與水泵機組的性能、管路是否安裝逆止閥以及逆止閥的關閉特性等因素有關。在本工程中，最不利情況為4臺泵并聯工作時發生同時停機的狀況，因此，對這種工況下無防護措施、管路上僅設置空氣閥、管路上設置空氣閥+調壓塔+泵出口設置逆止閥+泄壓閥三種方式進行了過渡過程的計算分析，以找到最佳的水錘防護方案。

3.1 4臺機組同時停機——無防護措施

圖1是無防護措施的情況下，4臺機組同時停機過渡過程，管路系統的壓力包絡線，最大壓力297.57 m，有段管路出現汽化。

圖1 壓力包絡線

圖2是汽化點處壓力隨時間變化曲線，汽化持續了一定時間，并在汽化消失的瞬間產生了極大的壓力升高。

圖2 輸水管汽化點壓力隨時間變化曲線

由圖2可看出，在無任何防護措施時，一旦產生停泵水錘將對管路和水泵造成極大破壞。

3.2 4臺機組同時停機——管路上僅設空氣閥

根據反復計算和分析，在輸水管路上設置了8個進排氣閥，圖3是設置了進排氣閥后，4臺機組同時停機，管線系統的壓力包絡線。最大壓力309.8 m，最小壓力-6.4 m，消除了汽化現象。圖4是泵流量隨時間變化曲線，從圖4中可以看出，回流時間是4.6 s，最大倒流流量大小達到了正常流量大小的1.13倍，倒流問題嚴重。

圖5是泵轉速隨時間變化曲線，從圖5中可以看出，最大倒轉轉速大小達到了正常轉速的1.36倍，不能滿足規范要求。

圖6是輸水管3 013 m處(設進排氣閥)壓力隨時間變化曲線，設置進排氣閥的位置，消除了負壓，但是排氣階段壓力升高依然較大。

圖3 壓力包絡線

圖4 泵流量隨時間變化曲線

圖5 泵轉速隨時間變化曲線

圖6 輸水管設進排氣閥處壓力隨時間變化曲線

設置進排氣閥后，4臺機組同時停機，可以解決汽化問題，但存在嚴重的倒流問題，造成水泵最大倒轉轉速過大，將對水泵產生較大的危害，同時，會產生較大的壓力升高。

3.3 4臺機組同時停機——管路上設置空氣閥+調壓塔+泵出口設置多功能水力控制閥+泄壓閥

為解決倒流的問題，在泵出口設置逆止閥，為解決管路壓力升高的問題，在管路上設置泄壓閥，同時，在管路駝峰處設置雙向調壓塔，在管路上坡的中部設置單向調壓塔，設備布置示意見圖7。

圖7 設備布置示意圖

圖8是設置逆止閥、空氣閥、單向調壓井、雙向調壓井、超壓泄壓閥后，4臺機組同時停機，采用0～4.0 s關閉90%，4.0～30 s完全關閉的兩階段規律關閉時，管路的壓力包絡線。最大壓力243.99 m，最小壓力-4.80 m，沒有汽化。

圖8 壓力包絡線

圖9～10分別是“泵流量隨時間變化曲線”和“泵轉速隨時間變化曲線”，從圖11中可以看出，采用此關閥方案很好地解決了倒流和倒轉的問題。

圖9 泵流量隨時間變化曲線

圖10 泵轉速隨時間變化曲線

圖11是壓力最高點壓力(出現在樁號6+538處)隨時間變化曲線，從圖11中可以看出，最大壓力是額定壓力的1.06倍，遠小于規范要求的小于1.2倍。

圖11 壓力最高點壓力隨時間變化曲線

圖12是輸水管管線壓力最低點壓力(出現在樁號3+673處)隨時間變化曲線從圖中可以看到最小壓力為-4.80 m，沒有產生汽化。

圖12 壓力最低點壓力隨時間變化曲線

采取了設置逆止閥、空氣閥、單向調壓塔、雙向調壓塔、超壓泄壓閥后，4臺機組同時停機，管線中沒有出現汽化，也沒有超壓，水泵沒有出現嚴重倒轉現象，很好地保護了水泵和管路。依照4臺機組同時停機采用的防護措施，進行1臺、2臺和3臺機組同時停機進行校核計算，結果顯示，3臺機組、2臺機組、1臺機組同時停機，只需調整關閥方案即可。

4 本工程中水錘防護措施的配置

停泵水錘首先出現降壓，如果在初始階段降壓過大，則隨后的第二階段的升壓也較大；如果降壓有可能導致水柱分離再彌合，將可能加劇水錘升壓的發生。所以，水錘防護措施首先從防降壓著手，再考慮防止升壓的措施。

4.1 防止壓力降低的措施

1)設置調壓塔。由于本工程管線較長，并且有駝峰出現，發生水錘時管路中會產生負壓或水柱中斷。設置調壓塔，通過塔中水流進管道，或管道中水流進調壓塔來緩和管路中的壓力變化，向負壓處補壓、向水柱中斷處補水，從而達到防止管路中壓降過大或水柱中斷，也避免了中斷后的水柱重新彌合時產生較大的水錘壓力上升。本工程在管線駝峰處設置了雙向調壓塔，在易于產生負壓的管線處設置了單向調壓塔。

2)設置注氣微排閥。考慮到水泵啟動時的管道排氣，結合防止管道瞬變時的汽化，本工程在局部高點設置了快進慢排氣注氣微排閥。

在水泵啟動初，通過低壓氣閥大量快速地排出管網中的空氣，也即在管道壓力低于2 m的壓力時，氣閥能以通徑大量排氣；大于2 m時，排氣口按過渡過程計算的排氣口直徑排氣。

在系統管網的正常工作工況下，注氣微排閥門(在低壓能大量排氣)不斷地將管網中集結的空氣排出，確保管道安全。

在系統停泵時，在管道內部形成負壓時，注氣微排閥門快速大量吸氣，抑制管道內的負壓，從而避免爆管事故發生。為防止充水速度過快產生水錘，注氣微排閥設有防水錘、降噪組件，具備快開緩閉功能及配件。先適量排氣到設定低壓后(2 m)，再緩慢排放剩余全部微量氣體。不會出現因管道排氣速度過快，管線壓力迅速上升而導致水錘及撞擊。

4.2 防止升壓過高的措施

1)采用多功能水力控制閥。多功能水泵控制閥消除水錘的效果好，它將速閉、緩閉和吸納三種消除水錘的方式結合在一起。停泵時主閥板在正向水流逐漸降為零之前迅速關閉——這就是速閉過程，減少大量返流水的產生，由于主閥板上有泄流孔，允許一小部分水流通過主閥板返回，從而有效防止水泵過度倒轉；停泵時在主閥板的前后形成壓力差，出口端的壓力高于進口端的壓力，出口端的壓力水通過旁通管進到控制室的上腔，推動膜片壓板的閥桿、緩閉閥板一起向下移動，緩慢地將主閥板上的泄流孔關閉——這就是緩閉過程；壓力水推動膜片壓板向下移動的過程中，膜片控制室上腔的容積在不斷增加，可以吸納一部份返流水——這就是吸納過程。無論水泵是否正常停機還是事故停機時，水泵控制閥在水泵停機時3 s內快速關閉約90%開度，剩余的10%的開度在120 s內(可調節)緩慢關閉，使消除水錘的效果達到最佳狀態。

2)設置超壓泄壓閥。由于水錘過渡過程的計算存在一定的局限性，超壓泄壓閥作為二次防護的主要工具，一旦出現壓力過度升高，超過規范限定值時，超壓泄壓閥感應并打開，以保護系統安全。

5 結 論

本工程在事故停泵過渡過程的計算分析的指導下，通過對水錘防護措施的多種方案計算分析，找到了適合本工程特點的防護方案。從工程的實際運行效果來看，泵站初次充水及正常運行平穩，水錘防護措施很好地保護了泵站和管路的安全。

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