高揚程大流量多起伏泵站水錘分析

譚毅源，陳維亮，字先文

(楚雄欣源水利電力勘察設計有限責任公司，云南 楚雄 675000)

水泵的啟動與停機將造成管道中流速的突然變化和壓力急劇升高與降低，往往導致水錘事故的發生，高揚程、大流量的提水泵站，水力過渡計算就顯得更加重要。對泵站、管道的安全性和工程造價起著決定性作用。現有文獻研究表明，不同管道水力特性、不同管材、不同的水錘防護措施對水錘的最大值都有不同程度的影響，同時具有高揚程大流量多起伏等特征的泵站水錘又具有不同的特性。

東河泵站是勤豐工業園區的供水工程，其中一期工程總共裝機3臺(3備1)離心泵組。該工程具有揚程高流量大起伏多的特點，泵單臺額定流量2400m3/h，裝機功率3150kW，額定揚程325m，4.5km的提水線路上較明顯的高點有11個。

1 水力過渡過程分析目的和內容

1.1 計算目的

(1)對泵站在可能出現工況下水力過渡過程進行計算，確定水泵出口工作閥門的合理關閉時間；確定最大水錘壓力；確定泵組的最大倒轉轉速。

(2)計算可能出現的各種工況下，管線最大最小水錘壓力值分布以及主要結點處(例如鎮墩處)的水錘壓力時程。各級泵站水泵出口最大水擊壓力升高不超過最高幾何揚程的1.5倍；管路系統沿線均不能出現水柱斷裂，管線管頂最小壓力大于2m。

1.2 計算內容

(1)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥按設計要求啟動關閉時的水力過渡過程。

(2)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥未按設計要求啟動關閉(簡稱拒動)、轉而啟動事故備用閥關閉時的水力過渡過程。

(3)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥拒動、且事故備用閥啟動關閉失敗時的水力過渡過程。

1.3 計算工況

計算工況見表1。

1.4 系統特性

水泵選型為雙吸自平衡離心泵主要特征參數詳見表2。

提水主管管徑DN800，全長4.3km，采用鋼管，管路特性如圖1所示。

圖1 管路特性

2 數學模型

描述管道中可壓縮流動的方程可表述為：

動量方程

(1)

表1 計算工況

表2 水泵特性

連續方程

(2)

式中，g—重力加速度；A—管道斷面面積；H—水頭；Q—管道流量；f—管壁摩擦系數；s—沿管軸線的軸向坐標；t—時間；D—管道直徑；c—水錘波速。

采用特征線法求解，將流量Q和水頭H作為基本變量，管道流動的基本控制方程為一組雙曲型的偏微分方程，可以進一步轉化為兩組常微分方程，分別表示為正水錘方向(c+)和負水錘方向(c-)：

(3)

(4)

3 計算結果

各工況計算結果見表3。

(1)3臺泵并列運行并同時失電為系統的控制工況。按3臺泵組并行運行失電的最不利工況進行了大量比較計算，根據失電后最大水擊壓力、負壓空化、泵反轉轉速等控制要求，工作閥門擬采用線性關閉規律，關閉時間可在9～12s之間選擇均可基本滿足設計要求。

(2)根據工作閥門按9s線性關閉的計算結果，比較計算了水錘壓力泄壓閥不啟動與啟動泄壓的計算結果。當泄壓閥不啟動運行時，閥后最大水錘壓力為8.43MPa，2+870.0后的管線出現較為嚴重的水錘負壓，導致空化和水柱拉斷的現象，管道尾段的空氣閥啟動出現大量進排氣過程。啟用泄壓閥后，最大水錘壓力壓力限制不超過4.5MPa，即揚程1.3倍，壓力系統的水錘特性得到了較大的改善，最大水錘壓力和最小水錘壓力均得到了有效的控制，空化現象明顯減輕。

(3)3臺泵并列運行并同時失電，且工作閥拒動工況，水錘壓力抑制閥最大泄壓流量為為0.56m3/s，泵組反轉速為1095r/min，反向流過水泵的最大流量為0.51m3/s。泵組最大反轉速出現在3臺機組并列運行且其中1臺組因故失電停機，且工作閥拒動的工況，泵組最大反轉速達到1619r/min，為額定轉速的1.1倍，滿足不超過額定轉速1.2倍的要求，反向流過水泵的最大流量達到0.71m3/s。

(4)泵站穩態工況下，系統各項水力指標及參數均能滿足設計要求。3臺機并行運行的過流能力7315m3/h，其中：1號泵：2428m3/h，2號泵：2439m3/h；3號泵：2447m3/h；總水頭損失69.5m。2臺機并行的過流能力為5526m3/h，其中：1號泵：2759m3/h，2號泵：2769m3/h；總水頭損失41.3m，滿足設計要求。

表3 各工況計算結果

(5)泵的特性揚程選擇略偏高，導致管線出口(出水池)處揚程富裕較多，可能會導致處水池出口流速偏高，形成沖刷作用。

4 水錘防護措施

4.1 設置水錘泄放閥

在機組同時失電停泵工況下，水錘壓力抑制閥均有不同程度的開啟泄壓的過程，最大泄壓流量發生在3臺泵并列運行并同時失電，且工作閥拒動工況，泄壓流量可達0.555m3/s。

4.2 啟閉時間

(1)泵站開機啟動的程序為：3臺泵啟動后，依次間隔5s，按5s線性規律逐臺開啟泵后工作閥，即，第一臺泵工作閥按5s線性規律全開完成后，間隔5s，再按5s規律開啟第二臺后泵工作閥，依次開第三臺泵工作閥。

(2)泵站關機的程序為：3臺泵保持運行狀態，按9s線性規律關閉，間隔5s依次逐臺關閉工作閥，即，第一臺泵工作關閉完成后；間隔5s，再依次按同樣的規律關閉第二、第三臺泵的工作閥。

4.3 增加進排氣閥

由于管線較長，原設計有11個空氣閥，根據計算結果在失電停泵或正常機停泵的情況下，管線2+870.0附近均會不同程度出現負壓，在該處附近新增3個空氣閥，最大進/排氣量達到約2m3/s。

5 結語

泵站設計中根據調節計算布設水錘消除設施非常重要，無設施的壓力升高值是有設施的2倍，對泵和管路系統的運行帶來的災難甚至是毀滅性的；長距離的提水管道需要在頂點處布置空氣閥，以消除或減小彌合水錘的壓力，尤其要關注管路中段，即使不是明顯的頂點或高點，但由于位置的不利，對進氣量的要求非常高；逆止閥與水錘消除設施應設計成機械式的以保證在停電狀態下有雙保險。