超大型離心泵站過渡過程計算及水錘防護

馬彥斌，李 瑤，李江云

(武漢大學，武漢 430072)

1 概 述

中短距離的特大型離心泵并聯泵站在我國灌溉系統中并不多見，但隨著規模化農業的發展以及跨流域調水的需求，泵站向高揚程、大流量發展是將來的發展趨勢[1]。過去對于大型泵站主要指流量較大的大型排灌泵站，學界主要關注進、出水流道設計對泵站高效穩定運行的影響；對于50 m左右的大流量高揚程泵站，由于我國排灌泵站無類似工程，學界對其啟停過渡過程的研究尚未涉及。為尋找類似規模泵站工程經驗，可采用核電行業循環冷卻水泵站進行對比，目前我國此類循環水泵站單臺機組功率可達7 000 kW左右，流量大多在20 m3/s以上[2]，與本文所討論的泵站相當，但揚程一般在20 m左右，其系統主要由混流泵、蝶閥、凝汽器及高位出流噴頭組成，采用蝶閥進行停機斷流是普遍采用的水錘防護措施。本文涉及的特大型離心泵并聯機組(單機8 000 kW等級，揚程50 m，流量12 m3/s)，流量規模為其一半，但揚程翻倍，雖然單機規模相近，但由于有更大的揚程，因此核電行業的循環混流泵機組的過渡過程運行經驗雖可借鑒[4]，但由于泵站參數及管道組合形式與之不同，故必須對此類特大型離心泵并聯輸送系統的啟停過渡過程進行針對性研究。

特大型離心泵輸送系統設計采用關閥啟動，以蝶閥、虹吸管加真空破壞閥聯合斷流。由于揚程較大，水錘防護成為泵站安全穩定運行的關鍵措施[5]。由于出水管需要接虹吸管后出流，管道系統最大出水流速在2-4m/s，超過規范要求，給逆止閥的防護措施帶來一定難度。本文將針對上述超大型離心泵站的運行特征展開過渡過程及水錘防護措施的研究。

2 計算建模及工況分析

2.1 工程概況

某特大型離心泵站一共安裝8臺單機容量為8 000 kW的立式蝸殼式離心泵機組，8臺機組分成兩組，每組4臺。每組的4臺泵先通過直徑2.2 m出水管逐步匯入集水管，然后通過一根直徑為4.1 m長約620 m的總管，將水排至出水渠道(如圖1)，泵站運行參數如表1。

表1 泵站運行主要參數Tab.1 Key operating parameters of pump station

2.2 建模及參數處理

(1)主泵立式蝸殼式離心泵參數。泵型：立式蝸殼泵

額定轉速：nR=300 rpm

額定力矩：TR= 210 912 N·m

額定流量：QR=11.4 m3/s，額定揚程HR=53 m

(2)機組轉動慣量。

水泵機組轉動慣量：GD2=31 700 kgm3。

(3)蝶閥：液壓開啟，重錘關閉；

開閥時間：20～90 s(可調)；關閥時間：快關2.5～30 s，75±10°； 慢關6～90 s，15±10°。

(4)前池容積及水位。前池總容積為13 000 m3，池頂與地面高程齊平，池底與渠底高程齊平，可概化為一個圓柱形的surge tank，等效直徑為51 m，前池初始液位近似等于進水渠液位，啟動工況應滿足最小淹沒深度，停泵工況應滿足小于最大雍水水位。

表2 液控蝶閥開度與阻力系數對應表Tab.2 The loss coefficient corresponding to the opening of butterfly valve

根據輸水管路系統參數，管線計算簡圖見圖1，通過對圖1系統中各元件進行簡化，可建立如圖2所示的PIPENET軟件計算模型。

根據啟停泵過渡過程水錘防護的計算要求，對系統進行以下簡化：

(1)進出水邊界條件：由于前池容積較大，啟停泵過渡過程中，與前池水位相連的明渠水位波動范圍<0.3 m，對系統水錘壓力的影響很小可忽略不計，因此圖2所示的模型將進水明渠作為壓力邊界考慮，其壓力為進水明渠水深。

(2)關于虹吸管等非圓管管段，采用等面積的圓形管近似，并設置等效摩擦阻力模擬管段壓降，即可保證過渡過程的精度不受影響。

綜上，可將進出水渠、前池至閘門、虹吸等矩形管段等面積等效為圓管進行建模計算，粗糙高度根據常用鋼管及混凝土管粗糙高度取經驗值，常開閥門、三通、變徑管、偏心管、攔污柵等均作為水損元件輸入；上、下游邊界均為相應進、出水水位的壓力邊界；根據前池作用效果，前池容積由前池加攔污柵至閘門口段容積確定，為計算最不利工況點虹吸駝峰負壓情況，虹吸處標高為駝峰頂部標高。

2.3 工況分析

過渡過程計算及水錘防護控制參數：基于前池及出水池特征水位，保證多泵啟動水位滿足最小淹沒深，多泵同停且蝶閥拒動時保證前池不能冒頂，停泵倒流轉速不超過1.3倍額定轉速；計算停泵后緩閉蝶閥兩階段關閉程序保證系統壓力不超過8 kg，泵后承壓能力為80 m水柱，系統壓力最低的虹吸駝峰頂部負壓控制在-8 m，此外對于并聯運行的大型立式機組，對稱運行原則下，還需要區分不同側遠端和近端的并聯泵，以及并聯運行時部分泵啟動或停機對其他運行水泵的影響。據此，針對該泵站工況特點考慮計算工況如下：

(1)對系統正常運行情況下8臺機組穩定運行的系統進行模擬，以確認給水阻力系統及泵全特性曲線在水泵區間與實際穩定工況的符合性；

(2)在最高進水位條件下，計算8臺泵機組同時事故停泵，緩閉蝶閥失靈情況下的泵機組是否小于飛逸轉速，前池水位是否冒頂；按規范要求離心泵機組倒轉轉速不得大于1.2倍額定轉速，但對于額定轉速較小的立式機組，一般可按1.3倍轉速計算，本文采用1.3倍額定轉速作為控制值；

(3)需對表3所列的工況進行過渡過程計算。計算正常啟動工況下的開閥時間；計算停泵采用緩閉蝶閥進行基于兩階段關閥程序的水錘防護，評估系統運行的安全性。重點關注以下5種關鍵工況校核的計算結果，即：①最大揚程，8泵運行，其中4泵同停，對運行泵的影響；②對應水位下，7泵運行，1泵啟動，運行泵對啟動泵的影響校核；③最大揚程下，8泵同停校核前池雍水水位及蝶閥關閥程序；④最小揚程下，2泵同停，單泵流量最大的蝶閥閥后水柱分離情況；⑤最小前池水位下，2泵同啟，前池最小淹沒水深校核。

3 計算結果及分析

首先，根據穩定流計算結果，由全特性曲線計算的水泵流量揚程基本符合水泵特性曲線，因此建立的模型阻力系統符合設計要求。

3.1 8泵運行4泵同停對運行水泵影響校核

3.1.1 蝶閥快關2.5 s到開度0.25，慢關6 s至全閉(2.5 s/0.25～6 s/0)

計算工況見表3。

表3 計算工況Tab.3 Operating condition of calculation

8臺泵運行，其中4臺泵停機，蝶閥失靈的工況前池水深6.21～5.31 m，水泵倒轉轉速為-6.22 r/min(<1.3 ne)，故不關閉蝶閥系統是安全的，但為防止倒流需要實施關閥。選擇遠離干管的兩臺泵(1號、2號)停泵的工況進行分析，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖3所示。圖3(a)給出了最大的閥后壓力1號 泵停泵后的全線壓力包絡圖，由圖3(b)前池水深6.02～5.52 m，虹吸頂部壓力9.56～-8 m；由圖3(c)、圖3(d)為停泵和運行泵流量、揚程及轉速等參數變化。1號泵所在管線閥后最大壓力為170.76 m，超過系統承壓上限，故為使系統安全，關閥時間應慢于2.5 s/0.25～6 s/0的關閥程序。

3.1.2 蝶閥快關4 s到開度0.25，慢關6 s至全閉(4 s/0.25～6 s/0)

該工況下1#泵所在管線壓力包絡線如圖4(a)所示，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖4(b)～圖4(d)所示。由圖3(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管頂最小壓力-8 m，有少量的水柱分離現象發生，但由于停泵后不再啟動，故彌合水錘不大；由圖4(d)泵后最大壓力為149.36 m，超過系統承壓上限，故應減緩閥門關閉速度。

3.1.3 蝶閥快關5 s到開度0.25，慢關6 s至全閉(5 s/0.25～6 s/0工況)

該工況下1號泵所在管線壓力包絡線如圖5(a)，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖5(b)～圖5(d)：由圖5(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管頂最小壓力-8 m，有少量的水柱分離現象發生；圖5(b)給出了主泵停泵關閥后的參數變化；圖5(d)給出了關閥后的最大壓力為78.92 m，故在4泵同停工況下，蝶閥采用快關5 s到開度0.25，慢關6 s至全閉的關閥程序可達到保護系統的目的。

3.2 7泵運行1泵啟動對啟動泵影響校核

7臺泵運行、1臺泵啟動，采用閉閥啟動方式，啟動泵(8號泵)和運行泵[以3號泵(與啟動泵異側)和7號泵(與啟動泵同側)為例]所在管線壓力包絡線如圖6(a)所示。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖6(b)～圖6(d)所示。圖6(b)、圖6(c)分別標表明運行泵(7號)后壓力最大為59.87 m，運行泵(3號)泵后壓力最大為55.7 m，對運行水泵影響不大，由圖6(d)閥前最大壓力為75.94 m，此工況安全。

3.3 最大揚程8泵同停關閥程序

8臺泵運行為該泵站的能力校核工況，校核停泵倒流情況以及停泵關閥的緩閉蝶閥關閥程序。

3.3.1 8泵同停閥門拒動倒流工況

校核8臺泵在對應進出水池水下運行，停泵后逆止閥拒動水流失去動力發生倒流，主泵機組反轉前池涌水。校核前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖7所示。由圖7(a)前池水深6.64～4.89 m，虹吸頂部壓力-1.95～-4.15 m，由圖7(b)，水泵倒轉轉速為-6.24 rps，小于1.3倍額定轉速，倒轉流量為-7.38 m3/s，1號泵后壓力最大為60.03 m，前池水位溢出地面(>6.62 m)發生冒頂，故應設置相應的關閥程序。

3.3.2 蝶閥快關10 s到開度0.25，慢關20 s至全閉(10 s/0.25～20 s/0)

4號泵(閥后壓力最大)所在管線壓力包絡線如圖8(a)。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖8(b)～圖8(d)，由圖8(b)前池水深6.45～5.21 m，虹吸頂部壓力11.2～ -8 m，有水柱分離發生，但由于停泵后彌合水錘不大；4號泵閥后最大壓力約為89 m，超過系統的承壓上限(8 kg)，故需調緩關閥程序。

3.3.3 蝶閥快關30 s到開度0.25，慢關90 s至全閉(30 s/0.25～90 s/0)

根據上一工況計算結果，閥后壓力超過系統承壓上限，故將蝶閥兩階段關閉程序設為蝶閥快關30 s到開度0.25，慢關90 s至全閉，4號泵(閥后壓力最大)全管線壓力包絡線如圖9(a)，前池水深、4號泵泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖9(b)～圖9(d)。由圖9(b)，前池水深3.39～2.26 m，虹吸頂部壓力-8～ 12.05m，由圖9(d)閥后壓力最大約為89 m，依然超出系統限制壓力8 kg，說明延長快關及慢關時間沒有明顯效果，只能通過進氣維持虹吸負壓防止水柱分離，但本文計算發現采用氣閥的效果依然不佳，因此建議只能通過提高系統承壓能力到9 kg以上方可保護系統安全。

3.4 最小揚程工況，2泵同停關閥程序

3.4.1 蝶閥快關2.5 s到開度0.25，慢關6 s至全閉(2.5 s/0.25～6 s/0)

進口水位最高、出口水位最低的工況下，水泵流量最大，揚程最小，該工況下兩臺泵(4、5號)同時停機，管線壓力包絡線如圖10(a)；前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖10(b)～圖10(d)。由圖10(b)前池水深為5.92～5.62 m，虹吸管頂壓力-8～11.1 m，有少量水柱分離發生；由圖10(d)，4號泵閥后壓力94.02～-8 m，閥后發生水柱拉斷，由于單泵流速最大，因此閥后壓力超過系統承壓上限(8 kg)，仍需放緩關閥時間。

3.4.2 蝶閥快關3 s到開度0.25，慢關6 s至全閉(3 s/0.25～6 s/0)

該工況下兩臺泵(4、5號 )同時停機，蝶閥快關3 s到開度0.25，慢關6 s至全閉，管線壓力包絡線如圖11(a)，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖11(b)～圖11(d)。由圖11(b)前池水深5.92～ 5.62 m，虹吸管頂壓力-8～ 5.64 m，由圖11(d)閥后壓力77.46～-8 m，系統安全。故該工況下，蝶閥兩階段關閉必須慢于3 s/0.25～6 s/0。

3.5 最低進水位啟動，前池最小水深校核

為保證前池水流對稱流態穩定，采用主泵對稱運行的方式，故2泵機組工況為1+1泵啟動(1號/8號泵)，根據緩閉蝶閥開啟要求以及電機啟動電流控制時間，電機8.5 s達到同步啟動，然后開閥，20 s完成全開。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖12所示。由圖12(a)，閥前最大壓力為73.54 m，在泵殼承壓能力范圍之內；由圖12(b)前池水深2.93～2.66 m(<1.62 m)，可保證主泵正常吸水；其次，虹吸管流量由0 m3/s增長至12.94 m3/s，根據駝峰斷面尺寸計算流速僅為0.76 m/s，該流速夾氣能力不足，難以自動形成真空，需要輔助抽氣系統完成啟動。

4 防護措施結論

本文涉及的大型立式離心泵泵站的并聯運行的啟停過渡過程，由于泵站機組臺數多，體量大，計算中應特別注意系統的簡化條件，比如若干管道連接到虹吸管過程中，由于各管道長短及阻力特性不同，造成并聯點不能按通常做法合并為一點，蝶閥關閥阻力特性必須考慮不同閥體結構的影響。綜上，根據表3所列工況進行了各種校核工況下的過渡過程計算，情況分析及工程建議：

(1)最低進水位下，采用2泵同啟，前池最低液位可滿足最小淹沒深。

(2)最高進水位下，8臺同停時蝶閥拒動，水泵倒轉轉速不會超過飛逸轉速或130%的額定轉速，但系統倒流將使前池接近冒頂，必須關閥保護，且盡快啟用真空破壞閥進氣斷流；經計算，該水位下，8臺同停，蝶閥兩階段關閉采用最慢關閥程序依然不能滿足閥后最大升壓低于8 kg的系統限壓，因此建議提升系統承壓能力為9 kg。

(3)兩階段關閥程序宜按最緩時間控制，建議統一采用快關5 s至0.25，慢關6 s至全閉；對于7泵～8泵同停情況，盡量采用最大關閥程序，即30 s快關至開度0.25(22°左右)，慢關90 s至全關；在系統最低揚程下，2泵運行工況出現單泵流量最大，假設2泵同停，關閥保護，則將發生短時的閥后水柱分離及彌合，也建議采用快關5 s至0.25，慢關6 s至全閉。

(4)7泵運行1泵啟動工況，啟動泵采用閉閥啟動，線性開發時間20 s，可安全啟動；8泵運行時，4泵同停合理關閥保護對運行泵的影響不大。

(5)根據規范采用-8 m判斷水柱分離，而實際汽化壓為-9.5 m，計算結果相當于提前發生水柱分離，據此提出的工程防護措施更安全。

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