泵站規劃設計中應注意的問題

陳柳杰 徐義樺 周宇翔

作者簡介：陳柳杰（1987—），男，大專，工程師，研究方向為水利工程設計。

摘要：在泵站工程中，水錘事故往往是由于規劃設計不當或操作不合理造成的，引起水泵出口管線和閥門損壞，乃至造成泵房進水和供水中斷，產生重大損失，甚至出現因為害怕引起水錘事故而沖動采取水錘防護措施，不但形成工程材料浪費的現象，有時還會產生相反的效果。所以，怎樣選取科學的防護措施，將最大升壓和降壓掌控在最小范圍內，設計出經濟、安全、靠譜的泵站防護措施，是泵站設計的一項關鍵性工作。降低與避免水錘問題的產生，需關注以下幾方面的內容。本文詳細總結了引水泵站的定義，結合實際案例梳理了泵站設計過程中常見的問題、經驗，同時針對這些問題，提出了相應的解決方案。

關鍵詞：泵站規劃? 設計方法? 注意問題? 解決方案

如今泵站項目因為設計規劃不合理、操作管理不當，極易引發水錘事故，從而致使水泵出水管道、閥門遭受破壞，嚴重的話還會使得泵房被淹沒、無法正常供水，引發重大的經濟損失。基于此，如何制定出最為合理的防護措施，將升壓、降壓的最大值控制在誤差允許范圍內，確保設計方案的經濟性、安全性、科學性，是當前泵站工作的重中之重。為有效控制水錘問題，必須關注以下幾點內容。

1 引水泵站

1.1 水泵的選擇

水泵站應結合泵站的作用與性能選取適宜的水泵，不同的水泵所具備的流量、揚程、變化規律都存在差異。

（1）一級泵站，又名取水泵站，主要安設于地面水源中，主要包含吸水井、泵房、閘閥井等內容[1]。一般情況下，取水泵站具備如下性能：首先，由于泵站埋深較大、結構復雜，為了避免破壞周圍環境，通常被安設在郊區;其次，泵站直接從天然水體中取水，整體水質較好，但其中仍然包含一些污染物、泥砂等有害物質;再次，取水口的水位并不固定，往往會隨著季節的推移而變動，因此泵站的水位變化顯著，但出水口水位的變化卻不明顯;最后，泵站的流量取決于水廠的工作效率，其揚程會受到洪水期、枯水期的影響產生巨大差別。

（2）二級泵站，又名送水泵站，主要安設在水廠中，用于抽送處理完成的水。該泵站具備如下特征：首先，考慮到送水泵站的供水狀況會隨著居民用水狀況的變動而出現變化，因此送水泵站的流量、揚程也是實時波動的;其次，送水泵站大多埋設在地面或屬于半地下式，施工、管理難度低;最后，水泵站輸送的水質更好。不同于其他水泵站，送水泵站不僅需要同時滿足流量、水壓的要求，還能夠兼顧用水量的變化，因此在設計時應選擇大小適宜，具備變頻供水功能的設備。

（3）加壓泵站。若城市引水管網覆蓋周密、輸配水管線長度較大、城市內部地勢起伏顯著，為了有效地控制經濟成本，即可在城市管網中增設加壓泵站[2]。加壓泵站具備如下特征：首先，泵站埋深淺，絕大多數的加壓泵站都直接安設在地面;其次，加壓泵站輸送的水質較好;最后，能夠有效維系流量、水壓的穩定。基于此，設計者在選擇加壓泵站時應盡可能選用相同型號的設備，這樣做的目的是因為相同型號的設備不僅能夠更好地維系流量、水壓等參數的穩定，同時還在很大程度上降低管理難度，一旦設計者選擇的水泵型號過多，則將大大提升管理難度，提高管理人員的工作量。

1.2 水錘的計算與防護

水錘對泵站的危害極為致命，所以對于水泵站來說，嚴格按要求對水錘進行防護至關重要。水泵站常使用的水錘主要包含直接水錘、間接水錘2種。前者主要是指關閉閥門的時間t在tZ（tZ=2L/C）以內，也就是說，最先發生的水擊波反射至閥門之前，閥門能夠完全關閉，此時水錘的計算公式為ΔP=ρCV0（1）;后者主要表示，關閉閥門的時間t超出了tZ（tZ=2L/C），也就是說，在最早一批的水擊波反射到閥門時，閥門還沒有全部關閉，此時通過理論力學動量定律即可計算出水錘，此時計算公式為ΔP=ρCV0tZ/t（2）。

上式（1）、式（2）中。C表示水擊波傳播速度：

其中，C0表示聲音在水中的傳播速度，具體數值為1440m/s;E0表示水的彈性模量;E表示管壁彈性模量;d表示管道直徑;δ表示管壁厚度。

經計算，若是ΔP的結果超出了1.5倍的管道工作壓力，此時必須立即啟動水錘防護措施，有效控制水錘[3]。管理人員可以通過如下方法進行處理：（1）控制管中水流的速度;（2）適當延長閥門的關閉時間，可以根據實際需求在管路上添加多功能水泵控制閥，令其充當單向閥、閘閥、水錘消除器等多個設備的作用;（3）必要時還可以在壓水管路上安設空氣室、調節塔等設備，以達到保護水錘的效果，如圖1所示。

2 設計中的注意問題

2.1 合理布置管線

設計者在布置管線的時候，應盡量確保管道縱斷面的平滑，不可出現明顯的凸部起伏，通常管道縱斷面呈先緩后陡的形式，如果從出口處開始呈先陡后緩，極有可能在停泵的時候壓力下降，致使管道凸部拐點位置明顯降壓，且若是壓力值低于水的汽化壓力，隨著時間的推移，還有可能會出現“水柱分離”的問題。但若是設計者將管線布置調整成先緩后陡，就能夠有效避免上述問題的發生。然而，考慮到管道縱剖面往往取決于地形地勢的走向，并不是任何項目都能夠根據設想修改管線的布置。

若所需要增加的挖方量有效，此時可以充分考慮經濟效益，選擇最適宜的站址[4]。但若是管道內必然會出現凸起，此時則需要根據計算，判斷其是否會出現水柱分離等問題。其中，L1與L2均表示出水管凸部前后兩端管道的長度;而H1和H2則表示凸部與水池水面的高度差;Ha表示實際工作揚程大小;L表示管道長度。通過計算，只要結果符合k1/b1<l，就表明不會出現水柱分離的問題。

2.2 降低管中流速

隨著管中流速的下降，水流的慣性也將得到相應的檢索，管道特性常數2p=aV0/gH0隨之減小，進而有效控制了水錘的升降壓。然而，若是項目單位適當增大管徑，同樣也會使得施工成本提升，因此，為了有效控制成本，施工人員應綜合考慮管道摩阻損失以及經濟成本，設計出最適宜的管徑大小。此外，出于防護水錘的目的，設計者在設計時還應綜合考量。

2.3 降低水錘波傳播速度

隨著水錘波傳播速度的下降，管道特性常數2p=aV0/gH0的數值也會同步下降。此時，水錘往返耗時將明顯增大，能在一定程度上控制水錘的壓力變動。因此，設計者在設計管道的時候，應盡可能選擇水錘波傳播速度稍弱的管道，即選擇管壁厚度較薄的管道。

2.4 合理選擇閥門形式

項目選擇的閥門形式的不同，將會導致其在開度情況下出現的損失系統存在差異。若保持關閥條件不變，全閉點周邊變化均勻的閥門壓力值上升都不明顯[5]。普通的逆止閥在關閥時卻會出現明顯升壓。與此同時，對于大流量、高揚程、長管道的泵站系統來講，為了有效地避免出現水流倒泄、水泵機組反轉、水錘明顯升壓等問題，設計者可以將普通逆止閥替換成兩階段關閉的可控閥或緩閉式逆止閥。在保證關閥條件不變的情況下，加快關閉閘閥的速度同樣會使得壓力值上升;若設計者選擇了針閥，雖然能夠較好地維持水力特性，但其全閉點周邊的阻力同樣胡急速消失;此外，若設計者選擇了閘閥、蝶閥、球閥及止同閥等閥門，這些閥門能夠很好地控制關閥點周邊阻力損失的變化，控制流速變化率，進而能夠起到控制水錘壓力的效果。然而，無論選擇哪種閥門，其關閉時間都取決于水泵運行狀況、閥門驅動狀況，應綜合考慮所有因素做出最正確的決定。

2.5逆止閥問題

在泵站中安設逆止閥是為了有效避免管道內部出現水流倒泄、機組倒轉等問題。對于包含多個水泵的管道系統來說，安設逆止閥能夠幫助水泵之間靈活切換，無需中途停機，且操作方便、難度極低。然而，分析泵站運行狀況可以發現，很大一部分的水錘問題都是因同逆止閥而產生的，還有一部分也可能是因逆止閥產生的[6]。因此，設計者在設計的時候，必須參照泵站實際需求，科學分布所有的逆止閥。（1）根據對水錘壓力的計算，只要管道的最大水錘升壓與水泵機組的最大倒轉速度一直維持在規定數值內，就不需要借助逆止閥令機組倒轉泄水。尤其是在單泵單管道且水泵揚程控制在40m以內的泵站中，這一規律更為適用。實踐顯示，只要設備處于正常運作狀態下，該方法能夠有效減少損失，停泵時也能有效控制水錘的升壓。（2）拆卸所有的普通逆止閥，如圖2所示，轉而使用急閉式或緩閉式逆止閥。相較于普通逆止閥，快關逆止閥能夠在動力中斷事故發生時，第一時間關閉系統，避免出現倒流;而緩閉式逆止閥則能夠在即將全閉階段緩慢關閉系統，有效防止水錘急速升壓。（3）設計者可在逆止閥前安設空氣管、調壓塔，以此有效控制水錘升壓，這些設置也能在一定程度上起到保護水錘的效果。

3 管道設計中的其他水錘問題

（1）泵站管道所具備的強度與穩定性都必須滿足水壓力與設計外荷載的需求。水壓力主要包含工作壓力與水錘壓力，而后者則包含土壓力與附加荷載。若項目勘測發現管道內部存在水柱分離的可能，此時應額外考慮大氣壓力所施加的外部荷載[7]。由于水錘壓力是典型的瞬時荷載，因此管道強度至少需要超出正常工作的壓力，測試壓力同樣應大于等于正常工作壓力與水錘壓力的總和。

（2）考慮到管道直徑可能會在中途出現改變，因此施工人員在選擇管道的時候必須保證下游的管道流速不超過上游管道流速，從而防止關閥、停泵時，管道連接部位出現負壓或水柱分離等問題。

（3）對于長管道輸送系統來說，施工人員應借助調壓塔或單向調壓水箱將整個系統分為多個部分，以分擔管中壓力，維持壓力值的穩定。

4 結語

要想設計出最佳的泵站應充分考慮所有因素的影響，盡可能地滿足用戶需求，嚴格把控停機次數，做到高效供水，科學分布泵站的布局結構，挑選更具質量保證的設施，以此打造出可靠性能更強的泵站。

參考文獻

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[3]王金榮.淺談水利泵站工程建設的規劃設計及其施工管理[J].建筑工程技術與設計，2018（36）：2711.

[4]施璇.城市排水泵站水泵群的調度優化與智能控制系統的設計與實現[D].合肥：安徽建筑大學，2021.

[5]翟彤.車用電子水泵綜合測試系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2020.

[6]王興.凝水泵非定常空化特性研究[D].成都：西華大學，2020.

[7]夏欣欣.消防水泵系統設計關鍵問題研究[D].揚州：揚州大學，2019.