枯木河一級浮船泵站有壓管道水錘防護分析

寇盼 劉超

摘要：枯木河一級浮船泵站為漂浮式浮船泵站，系統采用泵流輸水方式，流量大、管道布置隨地形起伏變化劇烈，需要對正常供水和事故停泵等工況下管道系統中的供水量、水泵效率、管道沿程壓力變化進行分析。為保證該泵站水力過渡過程安全運行，借鑒類似泵站工程水力過渡計算的經驗，結合現狀基礎資料對該泵站水力過渡過程進行了詳細的計算分析。根據計算結果，建議在輸水系統9處關鍵點位均安裝“快進慢排”防水錘型空氣閥，閥門關閉程序為3.0 s關閉80%，剩余20%開度用10 s關完。相關經驗可供類似輸水工程借鑒。

關 鍵 詞：

浮船泵站； 水力過渡計算； 水錘防護； 枯木河

中圖法分類號： TV675

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.044

0 引 言

在過去的幾十年中，中國在泵站工程領域取得了巨大突破，諸多抽水泵站借此修建，相關技術迅速發展并應用于實踐［1］。為確保泵站安全運行，延長泵站使用年限，泵站工程在設計階段的水力過渡過程模擬計算就顯得尤為重要［2-6］。

許多學者在抽水泵站的水力過渡計算和水錘防護領域都有研究，林紅玉等針對水錘波速對長距離泵站輸水管路中斷流水錘的影響進行數值仿真計算，給出了水流中斷的管路水錘防護建議［7-8］；蔣竹荷等基于瞬變流模型，對長距離污水壓力管道的水錘風險進行了分析并提出了綜合防護措施［9］；李玲玲等結合云南省當地實際情況，對高揚程大型浮船取水泵站水錘防護措施進行探討，從瞬變流有無保護兩方面對泵站水力過渡過程進行模擬，給出了水錘防護的建議［10］。

本文基于前人對抽水泵站水力過渡過程的分析和計算經驗，對枯木河一級浮船泵站水力過渡過程進行了詳細數值模擬仿真計算，并對其進行了安全運行評估，給出了該泵站的水錘防護措施建議。

1 工程概況

枯木河一級浮船泵站工程位于麗江市永勝縣魯地拉水庫庫區枯木河右岸以南，照壁山東北側及西南角。泵站以東50 m有縣道一條，交通相對便利。輸水壓力管道由浮船聯絡管和岸上輸水管道兩部分組成，浮船聯絡管長度為98.59 m，岸上輸水管道長度為861.25 m。管徑DN500，其中明管長137.937 m，埋管長723.308 m。

2 水錘計算依據

2.1 《泵站設計標準》的有關要求

（1） 7.2.3條：管頂線宜布置在最低壓力坡度線下，壓力不小于0.02 MPa。當出水管道線路較長時，應在管線隆起處設置排（補）氣閥，其數量和直徑應經計算確定。當管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設置一處通氣設施。

（2） 7.3.2條：出水管道應進行包括水力損失及水錘在內的水力計算。

（3） 9.4.1條：有可能產生水錘危害的泵站，在各設計階段均應進行事故停泵水錘計算。

（4） 9.4.2條：當事故停泵瞬態特性參數不能滿足下列要求時，應采取防護措施：

① 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；

② 立式機組低于額定轉速40%的持續運行時間不應超過2 min；

③ 最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；

④ 輸水系統任何部位不應出現水柱斷裂。

2.2 《室外給水設計標準》的有關規定

（1） 7.3.7條：輸水管道系統的水錘防護設計宜綜合采用防止負壓和減輕升壓的措施。

（2） 7.3.8條：輸水管道系統中用于水錘控制的管道空氣閥的位置、型式和口徑，應根據瞬態水力過渡過程分析計算，并結合7.5.7條的規定綜合考慮確定。

（3） 7.5.7條：輸水管（渠）道隆起點上應設通氣設施，管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設一處通氣設施。配水管道可根據工程需要設置空氣閥。

3 水錘計算邊界條件

3.1 泵端邊界條件

在水力過渡過程中，連續方程、水頭平衡方程、負特征線方程、水泵機組慣性方程與水泵全特性方程構成了同型號水泵并聯的泵端邊界條件。

3.2 水柱分離模型

在本文研究中，將發生水柱分離之前和水柱彌合之后的水流視作連續流體，采用特征線法進行水錘計算，而一旦發生水柱分離，則按照水柱分離數學模型進行計算，此時分離水柱之間的體積全部由蒸汽填充，其內部壓力等于水的汽化壓力。

3.3 空氣閥邊界條件

當管道內壓力低于大氣壓時，吸入空氣，而當管道中壓力上升，高于大氣壓時，排出空氣。防水錘型空氣閥有兩個浮筒：一個大浮筒和一個小浮筒，分別負責低壓快速進氣和高壓慢速排氣，可有效防護水錘。

3.4 上下游恒定水位池邊界

對于容積大的水池（或水庫），短時間內池水位（或庫水位）是不會發生變化的，即管道入口處的水池水頭為常數，如圖1所示。

上游為恒定水位水池的邊界方程：

Hu=HR1-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（1）

下游為恒定水位水池的邊界方程：

Hd=HR2-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（2）

式中：HR1為上游水池水面與基準線的高差，m；HR2為下游水池水面與基準線的高差，m；Hu為上游水池出口處的測壓管水頭，m；Hd為下游水池進口處的測壓管水頭，m；Qp為管道流量，m3/s；A為管道過流面積，m2；ζ1和ζ2分別為上、下游水池出口水頭損失系數。

當管道流速水頭和進口阻力水頭損失系數較小而可以忽略時，上下游為恒定水位，水池的邊界方程可簡化為

Hu=HR1

Hd=HR2（3）

4 模型建立

4.1 浮船泵站及通岸工程

（1） 浮船泵站管道組成。浮船泵站過水管道由圓管、漸變管、彎頭、“Y”形搖臂組成。

（2） 通岸管路。通岸工程將浮船泵站連接上岸，由“Y”形搖臂、圓管和跳船組成。

4.2 管道基本參數及高程線

枯木河船塢泵站供水系統中浮船泵站后接輸水管道，全長861.245 m，管壁厚度10 mm。泵站出水管線縱向高程如圖2所示。

4.3 管道水頭損失

管道內壁摩阻水頭損失對管道系統輸水特性有重要影響，本文采用Colebrook-White近似公式計算水頭損失：

1f=-2lgε/D3.7+2.51Ref（4）

式中：f為Darcy-Weisban摩擦系數；ε為管道內壁粗糙度，此處取2.5×10-5 m；雷諾數Re=vDγ；D為管道內徑。

4.4 水錘波速計算

水錘波速是影響水錘最大、最小壓力的主要因素之一，根據其定義可知，水錘波速主要與水的壓縮性和管道彈性有關：

a=14351+KD/（Eδ）（5）

式中：鋼管道的彈性模量E=19.61×1010 N/m2。水的體積彈性模量K=19.6×108 N/m2，管道直徑D=0.5 m，管道壁厚δ=0.01 m。計算可知管道中的水錘波速為a=1 172 m/s。

4.5 水泵及閥門

4.5.1 水泵參數取值

根據工程設計，擬選取YOS150-540型水泵。水泵穩態運行工況的計算分析中，只需給出水泵的基本性能參數即可。但在瞬態運行水錘計算分析中，還需給出水泵的轉動慣量、摩擦扭矩、電機參數和轉動比取值。

已知本次研究中水泵的轉動慣量為3.72 kg·m2，電機的轉動慣量為5 kg·m2。

配套異步電動額定電壓為380 V，額定功率為185 kW。

摩阻扭矩τf取0.010405405 N·m，比轉速ns取60.75。

4.5.2 閥門類型

根據工程設計資料，管道系統中安裝的閥門類型主要有3種：多功能水泵控制閥、空氣閥和空氣罐。

（1） 多功能水泵控制閥。

控制閥安裝于水泵出口處，用于水泵正常啟動和關閉時對水泵安全運行進行控制。控制閥的內徑與管道內徑相同，本次研究中，不同運行情況時控制閥運行各不相同，將在后面章節分析中具體給出。

（2） 空氣閥。

空氣閥主要用于排出管道中的空氣，以及負壓時從外界向管道中進氣，保護管道系統。

（3） 空氣罐。

空氣罐主要用于保證系統的平穩用氣，降低氣流脈動的作用，從而減小系統壓力波動，在系統內水壓輕微變化時，能保證系統的水壓穩定，保護管道系統。

4.6 邊界條件

根據工程設計方提供的資料，可查得泵站運行最高水位1 225.60 m，設計水位1 216.00 m，設計枯水位1 212.00 m，出水池最高水位1 305.30 m，設計水位1 305.00 m，最低水位1 302.90 m。

5 穩態運行計算

5.1 泵站正常運行時工況點計算

根據工程實施方案，分別對泵站輸水系統在3種水位下正常運行時的水泵工況點進行校核計算，計算結果見表1。

從計算結果可知，由于水庫水位變幅較大，水泵型號按照最大凈揚程工況確定，當輸水系統在最小凈揚程工況下運行時，流量大于設計流量，但未出現電機超載現象，因此水泵機組可以正常運行。

5.2 穩態計算結果

分別對泵站輸水系統在3種水位正常運行時的工作壓力進行計算，計算結果見圖3～5。

5.3 小 結

根據泵站輸水系統正常工作壓力計算結果可知，在3種水位下輸水系統正常工作時測壓管水頭均在管頂高程線以上，可以安全運行。

6 水力過渡過程計算

泵站兩臺機組在3種水位下并聯運行，分別對事故停泵后不采取防護措施和采取防護措施后引起的水力過渡過程進行計算。

6.1 無防護措施

在最大凈揚程工況下，2臺機組同時斷電后，如果無防護措施，水泵機組持續倒轉，水泵最大反轉速度為-2 040 r/min，不符合規范要求，因此需要采取相應措施進行防護。

在最小凈揚程工況下，2臺機組同時斷電后，如果不采取防護措施，輸水系統壓力升高不大，但是由于水流倒流輸水管道，出現較大負壓區，水泵機組持續倒轉，不符合規范要求，因此需要采取相應措施進行防護。

在設計水位工況下，2臺機組同時斷電后，如果無防護措施，輸水系統壓力升高不大，但是由于水流倒流輸水管道，出現較大負壓區，水泵機組持續倒轉，水泵最大反轉速度為-1 944 r/min，不符合規范要求，因此需要采取相應措施進行防護。

6.2 有防護措施

在最大凈揚程工況下，2臺機組同時斷電后，采用負壓區加空氣閥方案防護措施，多功能水泵控制閥3 s關閉80%，10 s關閉20%時，系統最大壓力水頭為147 m，是泵出口正常工作壓力水頭（98.29 m）的1.5倍，沿線最小壓力水頭線均大于管道高程，水泵最大反轉速度為-1 834 r/min。系統最大、最小壓力水頭和轉速均符合規范要求。

在最小凈揚程工況下，2臺機組同時斷電后，采用負壓區安裝空氣閥方案防護措施，多功能控制閥門關閉程序為3.0 s關閉80%，剩余20%開度10 s關完，系統最大壓力水頭為116.40 m，是泵出口正常工作壓力水頭83.88 m的1.39倍，沿線最小壓力水頭為-2.66 m，水泵最大倒轉速為-1 679 r/min。系統最大、最小壓力水頭和轉速均符合規范要求。

在設計水位工況下，2臺機組同時斷電后，采用負壓區安裝空氣閥方案防護措施，多功能控制閥門關閉程序為3.0 s關閉80%，剩余20%開度10 s關完，系統最大壓力水頭為142.45 m，是泵出口正常工作壓力水頭96.25 m的1.48倍，沿線最小壓力水頭-2.09 m，水泵最大反轉速度-1 849 r/min。系統最大壓力、最小壓力水頭和轉速均滿足規范。

7 結 語

綜合3種工況下的水錘防護措施，最終建議輸水系統的水錘防護措施為：樁號0+003.050、0+104.538、0+201.441、0+301.479、0+412.788、0+510.274、0+650.862、0+774.513、0+853.503（共9處）均安裝“快進慢排”防水錘型空氣閥，空氣閥進氣孔徑為100 mm，排氣孔徑為5 mm。管線上多功能控制閥門關閉程序為用3.0 s關閉80%，剩余20%開度用10 s關完。

工程使用的水泵多功能控制閥、防水錘型空氣閥等水錘防護設備，工程正式運行前應由供貨廠家對設備進行工作參數調試設置。

根據GB 50265-2022《泵站設計規范》9.4節內容，建議水泵出口取消安裝止回閥，輸水管道通徑600 mm以下安裝水泵多功能控制閥，600 mm 以上采用兩階段液控止回球閥。

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（編輯：胡旭東）