大型泵站水錘防護措施選型研究

樊智軍

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

SJZ 泵站設計流量13 m3/s，設計揚程為186 m，泵站內共安裝6 臺水泵，單泵流量為3.25 m3/s，3 臺水泵（2 用1 備）并聯在一根管路上，泵后止回閥采用DN1 200 mm、PN4.0 MPa 軸流式止回閥。泵后揚水管道長度11.16 km，雙管并行布置，均為DN2 400 mm涂塑鋼管，泵站出水池容積為2 600 m3。

2 邊界條件確定及問題的提出

按照本泵站的布置形式，在無任何防護措施下，通過計算分析，停泵水錘現象發生最嚴重的工況為一條管道上兩臺水泵同時事故停機時，管道瞬時高壓、管頂最小壓力以及水泵倒轉情況均超出相關規范要求，因此采用何種水錘防護措施是本工程必須研究的內容[1]。而水力過渡過程計算邊界條件的確立是過渡過程分析前的首要工作。

2.1 邊界條件的確定

邊界條件主要包含瞬時管頂最小壓力、瞬時最高水錘壓力和水泵倒轉轉速和倒轉持續時間[2]。國內部分規范對于邊界條件的限定見表1。

從表1 可以看出，輸水工程管頂壓力穩態工況下，各規范要求基本一致，均要求在最低壓力線以下2 m；瞬態工況下，各規范要求不一致，其中要求最高需達到+2 m，次之要求不大于2 m～3 m 的負壓，要求最低為不出現水柱斷裂（行業慣例為-4 m），作者認為SL 702-2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》中的規定不太明確，暫按照“應保證在各種設計工況下管道不出現負壓”的要求執行。本工程揚水管道采用涂塑鋼管，初步設計階段設計時《水利水電工程壓力鋼管設計規范》和《室外給水設計標準》還未更新，未對瞬態工況管頂壓力提出明確要求，因此按照《水利水電工程機電設計技術規范》的要求對瞬態工況管頂壓力規定不應低于0.02 MPa。

表1 部分規范關于邊界條件要求統計一覽表

瞬時最高水錘壓力各規范要求計算的基準基本一致，略有差異，對于本揚水泵站，其中管道工作壓力≈水泵出口額定壓力＞正常靜水壓力，選取水泵出口額定壓力（設計揚程）為計算基準。瞬時最高水錘壓力與水泵出口額定壓力的比值均在1.3～1.5范圍內，本泵站揚程較高為186 m，比值選取1.4，即瞬時最高水錘壓力不超過260 m，且不允許采用超壓泄壓閥消除瞬時高壓。

《泵站設計規范》和《水利水電工程機電設計技術規范》中對水泵倒轉轉速和倒轉持續時間進行了規定，但對于大型泵組，倒轉產生的噪聲和振動比較大，有必要對不引起泵組倒轉的設計方案進行比較，因此本泵站分別對“離心泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2 倍，超過額定轉速的持續時間不應超過2 min。”和“離心泵不發生倒轉”分別計算。

2.2 問題的提出

根據確定的邊界條件，分析得出本泵站相比常規泵站要求更高，一方面瞬態工況管頂壓力規定不應低于0.02 MPa，常規空氣閥不能應用于本工程；另一方面要求分別計算離心泵不發生倒轉和發生倒轉兩種工況，因此需要用液控兩階段關閉規律閥門和軸流式止回閥分別和雙向調壓塔、水錘消除罐、單向調壓塔等調壓設施組合計算，尋求適合本泵站的安全可靠的最優水錘防護措施[9]。

3 水錘防護措施的選擇

3.1 水錘防護措施各方案計算分析

為了找出SJZ 泵站事故停泵時的最優水錘防護措施，根據工程布置和各調壓設施設備的適用性，共優選了16 個可行方案，分別為：（1）泵后止回閥采用液控球閥，布置有4 處單向調壓塔、5 處單向調壓塔、6 處單向調壓塔、1 處單向塔+1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、2 處單向塔+1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+2 處單向塔、2 處水錘消除罐共計7 個方案[10]；（2）泵后止回閥采用液控活塞閥，布置有1 處水錘消除罐+2 處單向塔、2 處水錘消除罐共計2 個方案；（3）泵后止回閥采用軸流式止回閥，布置有1 處水錘消除罐+1 處單向塔、1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+1 處單向塔+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+2 處單向塔、1 處水錘消除罐+3 處單向塔、2 處水錘消除罐、4 處水錘消除罐共計7 個方案[11]。計算結果分別見表2、表3、表4。

表2 泵后止回閥采用液控球閥的7 個方案計算分析結果

表3 泵后止回閥采用液控活塞閥的2 個方案計算分析結果

表4 泵后止回閥采用軸流式止回閥的7 個方案計算分析結果

3.2 管線水錘防護措施方案選擇

根據現場地形條件并根據水力過渡過程計算分析優化，壓力鋼管采用“前緩后陡”、“一路上坡”布置，前段0+000～5+400 地勢平緩，平均縱坡為1/131.7，后端較陡，平均縱坡為1/40.8，事故停泵時，負壓多發生在管道后半段，從表2 的方案1、方案2、方案3 可以看出，如采用單向調壓塔單一措施時，最多需要6 個單向調壓塔才能滿足要求，在管線后半段布置較為密集，平均1 km 布置1 個，如果要降低單向調壓塔的數量，則塔的高度相應增高，最高需要40 m 高度才能滿足要求。從表4 的方案7 可以看出，如采用常規水錘消除罐泵后布置，水錘消除罐泵體積較大，總容積將達到301 m3，投資較高。根據管線布置特點，調壓設施可優化布置在管線后半段，通過多方案計算分析，在管道中部6+480 位置布置1 處水錘消除罐較為經濟合理，6+480 至管道末端再進行單向調壓塔、水錘消除罐和雙向調壓塔的計算分析，計算結果表明，后段布置1 處調壓點技術可行，可選擇1 處單向調壓塔，塔高31.5 m；或1 處雙向調壓塔，塔高36 m；或1 處56.5 m3水錘消除罐[11]。單向調壓塔較雙向調壓塔塔高相差不大，且需要單向閥門控制，相對可靠性略差；水錘消除罐與雙向調壓塔相比較，可靠性相當，但日常維護量較大，需要不定時補充罐內氣壓。通過分析比較，后段1 處調壓點選擇雙向調壓塔。最終，一條管線的水錘防護措施選用6+480 處布置120 m3水錘消除罐，10+491 處布置1 座雙向調壓塔，塔高36 m。

3.3 泵后止回閥選擇

根據已選擇的管線水錘防護措施，泵后止回閥分別進行了液控球閥、液控活塞閥和軸流式止回閥的計算分析[12]，結果表明，不同閥型對管線的水錘防護措施影響較小，可忽略。對3 種閥型的優缺點分析見表5。

表5 水泵出口止回閥性能比較表

球閥與活塞閥方案均為電液自動控制模式。雖球閥比活塞閥快關時間略長，但由于本項目管線前6 km 坡度相對較緩，在斷電后，由于管中水流的慣性，從斷電至管中水流倒流時間約8 s～10 s，球閥也能實現5 s～8 s 快關90%的要求，因此，在控制模式相同，都能滿足調保要求的前提下，考慮到活塞閥的過閥水損較球閥大，所以兩階段關閉方案推薦球閥方案。

球閥與軸流式止回閥相比較，球閥全開時流道為全通徑，正常運行時水損基本為零。但其需配備重錘或蓄能式液壓控制系統，為電液自動控制模式，存在誤操作等因素。事故斷電工況下其緩閉會引起倒流，使泵組倒轉，產生較大的噪音及振動。

軸流閥雖正常運行時過閥水損為0.8 m，但該閥為水力自動控制閥門，運行相對安全，閥體外無需液壓控制系統，價格也相對球閥經濟。“零流速”關閉，噪音及振動很小，最突出的是機組無倒轉，可有效地保護泵組，另外，DN1 200 mm，PN4.0 MPa 軸流式止回閥不存在技術、制造等相關問題，軸流式止回閥雖在水利行業運用相對較少，但在石油天然氣、市政行業已運行十余年。因此，泵后止回閥選用水力自動控制、水泵機組無倒轉、運行方便、相對經濟的軸流式止回閥。

3.4 水錘防護措施方案

經過以上計算分析，本泵站水錘防護措施方案選定為：泵后止回閥選用DN1 200 mm，4.0 MPa 軸流式止回閥，6+480 處布置120 m3水錘消除罐，10+491處布置1 座雙向調壓塔，塔高36 m。另外，為了進一步提高工程安全可靠性，在假設水錘消除罐失效情況下，按照瞬時管頂最小壓力不大于-4 m，其它要求不變的標準設置了2 道超壓泄壓閥和9 處防彌合水錘的空氣閥。

計算部分截圖見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

圖1 一管雙機（Q=3.25+3.25 m3/s）事故工況壓力包絡線

圖2 水泵轉速變化圖

圖3 閥后最大壓力變化圖

圖4 最小壓力變化圖

圖5 空氣罐水位變化圖

圖6 雙向塔涌浪變化圖

圖7 出水池水位變化圖

4 結語

本泵站通過多方案的計算分析，最終在保證安全性的前提下，管線水錘防護措施從最多需要設置6 處優化成僅布置了2 處，減少了運行維護點數量，達到了設計優化的目的。

通過對本泵站的水錘防護措施的大量研究，總結以下幾點經驗：

（1）泵站水力過渡過程計算是泵站設計的一項重要內容，同時也是對管線布置、泵站出水池容積等的優化過程，設計人員應耐心對待。本泵站揚水管道采用前緩后陡、減少或消除尾部起伏點和平管段、盡量減少中部管線起伏等措施，類似工程可參考。

（2）若水錘消除罐布置在揚水管道起始位置，泵后止回閥宜優先選用軸流式止回閥，如選用液控閥門，則在負壓狀態下，水錘消除罐中壓力水會通過機組損失一部分，水錘消除罐容積要求更大。

（3）由于軸流式止回閥、水錘消除罐（內膽式）的研究較少，軸流式止回閥的開、關閥門規律國內還沒有統一認識，水錘消除罐（內膽式）進、出水口的阻力系數和主管連接管直徑等參數的計算方法、認識也不盡相同，造成計算研究過程中計算結果相距較大。在本次選型研究中，經與清華、河海、武漢三家大學多次研討，最終統一了上述參數，為多方案比選提供了必要的基準，設計中應重視。