大型泵站管道水力过渡过程计算及防护研究

丁银剑

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆YE供水二期输水工程SS段线路全长106.055km，主要由SJZ泵站、压力管道、输水隧洞及尾部KMS水库等建筑物组成。

SJZ泵站设计扬程为186m，泵站内共安装6台(四用两备)主泵及2台充水泵，泵后分别设有DN1200及DN700轴流式止回阀。主泵采用卧式双级双吸离心泵，单泵流量为3.25m3/s。充水泵采用卧式单级双吸离心泵，单泵流量为1m3/s。3台主泵并联在一根管路上，正常工况下，单根管路上为2台流量为3.25m3/s的主泵并联运行或1台主泵与1台充水泵并联运行，出水管路总水头损失约为0.2447×Q2。

泵后压力管道总长11.16km，为DN2400压力钢管，双管并行布置，设计流量为13m3/s，最大工作压力为1.98MPa。管道出口为2600m3的出水池。

为减少水锤防护的难度，压力管道在布置上避免了两头低、中间高的凸点，基本为一路上坡，前半段较为平缓，后半段进入山区后较陡，由于地形原因，全线纵向共布置4个上折点(膝部)。

2 问题的提出

在长距离、大流量、高扬程输水管路中，水锤现象是影响工程安全运行不可忽视的重要因素，尤其是突发性的事故停机时产生的停泵水锤，将会造成离心泵反转，引发管道内流速的瞬时变化，从而引起管压的急剧升高或降低，并引发反复交替性的水锤力。这种现象会对泵站机组、管道及其附属设备造成破坏，因此，如何选择安全、可靠的水锤防护措施，对于长距离、高扬程输水管路至关重要。本文重点分析SJZ泵站事故停泵时的水锤防护措施。

3 水锤防护措施的选择

根据国内当前水锤防护技术水平和通用防护措施，常见的事故停泵水锤防护措施包括：泵后止回阀、单(双)向调压塔、调压罐、空气阀、超压泄压阀及箱式双向调压塔等。

3.1 止回阀

(1)液控缓闭止回阀(两阶段关闭)：泵站停泵后，水流从正向流动变为逆向流动，为了降低关阀水锤，泵后缓闭止回阀分两阶段关闭，80%左右快关，20%左右慢闭，以降低动态水压至较低水平。

(2)轴流式止回阀(速闭)：“零流速”关闭，能防止水泵及驱动电动机反转，同时阀盘关闭不会产生巨大的水击力，从而实现静音效果，其最大功能是消除了由流速变化引起的水锤升压。

3.2 双向调压塔

双向调压塔既可在管道低压时向管道内注水，防止管道出现断流，避免出现断流弥合水锤，也可以在管道出现过高的正压水锤波时，消减过高的水锤升压，是较好的水锤防护措施之一。

3.3 单向调压塔

单向调压塔仅能防止管道内出现负压，而对管道出现正压波没有作用。且应注意冬季保温，逆止阀及液控阀需定期维护。

3.4 空气罐

空气罐为密闭的高压容器，其上部为高压气体，下部为水体，底部通过连通管与主管道相连，随着管路中压力的变化，气压罐向管道补水或吸收管道中过高压力，抗水锤原理上与双向调压塔类似。其构造简单，自动运行，避免了如水锤消除器等装置因设备故障或人为原因造成的事故。

3.5 箱式双向调压塔

箱式双向调压塔实际上相当于一个阀门。管道超压时泄水降压，相当于泄压阀的功能；当管道负压时，打开阀门向管道内补水，相当于单向调压塔的功能。由于本工程管道均是仰坡，根据水锤防护初步分析管道沿线防护任务主要为消除负压。箱式双向调压塔在消除负压时需另设补水池配合工作，其工程布置比单向调压塔相对复杂。

通过以上分析，并结合大量的工程，实践表明，长距离输水管线的水锤防护不可能单独依靠一种设备来实现，必须依靠多种水锤防护设备互相协调、互相配合才能有效地对水锤进行防护。

针对本工程的特点，选择的调压设施为：轴流式止回阀+双向调压塔+空气罐，空气阀及超压泄压阀只作为安全储备措施，不参与水力过渡过程计算。

4 计算分析

4.1 主要技术参数

泵站进、出水池水位级水泵机组主要参数见表1—2。

表1 泵站进、出水池水位

表2 水泵机组主要参数

4.2 计算原则

根据规范并结合本工程特点，本工程水力过渡过程计算原则如下：

(1)根据管道承压能力，沿线最大压力不超过260m水头。

(2)管道沿线管顶最小压力不小于2m水头。

(3)离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min。

4.3 计算工况

工况组合见表3。

表3 工况组合

4.4 计算过程

根据工程布置，拟定在管线中后部设置一处空气罐和一处双向调压塔，其具体参数及位置见表4。

表4 调压设施布置表

其中，单个空气罐体积为28.61m3，水气比为1∶1。空气罐有并联及梯形两种布置方式，在并联布置中，如图1所示，每个空气罐均有一根补水管，长度为12.5m，管径为250mm，所有管道局部损失系数取5，每个空气罐在主管上的间隔为5m；在梯形布置中，如图2所示，取与空气罐直连的接管(即图中的32、30、27、28管道)管径为250mm，管长为2.5m，管道局部损失系数取3，而其余接管管径均取500mm，管长为5m，管道局部损失系数取1；双向塔与主管连接管长度取15m，管径为800mm，局部损失系数取为1。

图1 空气罐并联布置图

图2 空气罐梯形布置图

(1)工况一

空气罐并联布置，计算一管双机的事故停泵工况，2台水泵设计流量均为3.25m3/s，水泵出口为轴流式止回阀。掉电后，当阀门处流速下降至1.5m/s时开始关闭，零流速时关死。

计算结果：最大压力为232m水头，出现在阀门出口处，管中心最小压力为2.67m水头，机组最小转速为13.2r/min，无倒转，空气罐最低水位为1.56m，有较大安全余量。调压塔最低涌浪为16.6m，最高涌浪为34.2m，出水池水位下降约0.35m。计算结果符合过渡过程控制标准，压力包络线如图3所示。

图3 工况一压力包络线

(2)工况二

空气罐梯形布置，计算一管双机的事故停泵工况，2台水泵设计流量均为3.25m3/s，水泵出口为轴流式止回阀。掉电后，当阀门处流速下降至1.5m/s时开始关闭，零流速时关死。

计算结果：最大压力为235m水头，出现在阀门出口处，管中心最小压力为2.51m，机组最小转速为13.2r/min，无倒转，空气罐最低水位为1.26m，有较大安全余量。调压塔最低涌浪为17.6m，最高涌浪为33.1m，出水池水位下降约0.29m。计算结果符合过渡过程控制标准，压力包络线如图4所示。

图4 工况二压力包络线

(3)工况三

空气罐并联布置，计算一管双机的事故停泵工况，1台水泵设计流量为3.25m3/s，另1台水泵设计流量为1m3/s，水泵出口均为轴流式止回阀。掉电后，当阀门处流速下降至1.5m/s时开始关闭，零流速时关死。

计算结果：最大压力为216m水头，出现在阀门出口处，管中心最小压力为4.5m水头，大机组最小转速为13.7r/min，无倒转，小机组最小转速为26.4r/min，无倒转，空气罐最低水位为1.75m，有较大安全余量。调压塔最低涌浪为19.2m，最高涌浪为33.5m，出水池水位下降约0.27m。计算结果符合过渡过程控制标准，压力包络线如图5所示。

图5 工况三压力包络线

(4)工况四

空气罐梯形布置，计算一管双机的事故停泵工况，1台水泵设计流量为3.25m3/s，另1台水泵设计流量为1m3/s，水泵出口均为轴流式止回阀。掉电后，当阀门处流速下降至1.5m/s时开始关闭，零流速时关死。

表5 各工况计算结果一览表

计算结果：最大压力为226m水头，出现在阀门出口处，管中心最小压力为4.6m水头，大机组最小转速为13.2r/min，无倒转，小机组最小转速为26.6r/min，无倒转，空气罐最低水位为1.52m，有较大安全余量。调压塔最低涌浪为19.9m，最高涌浪为32.5m，出水池水位下降约0.25m。计算结果符合过渡过程控制标准，压力包络线如图6所示。

图6 工况四压力包络线

5 结语

经过对本工程的计算分析可知，对于长距离、大流量、高扬程输水管线，双向调压塔与空气罐结合的水锤防护措施能有效地降低水锤压力，并控制负压在理想状态。

对空气罐并联布置和梯形布置的计算结果显示，两种布置对防护效果影响较小，可根据实际情况选取合适的布置形式。

计算中需注意，空气罐的接管的局部损失系数对结果影响较大，特别是对于正压的影响，建议其取值不应小于本次计算中的取值，如果实际管道不满足局部损失系数的要求，应考虑增大局部损失系数，在实际工程施工中，建议尽量接近本次计算的取值，否则应进行复核计算。