泵站供水系统水锤防护措施优化

2012-08-06梅红

浙江水利水电学院学报 2012年2期

梅红

(浙江水专工程建设监理有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

供水泵站工程由于水泵的启动与突然停泵或控制阀的启闭，造成管路中水流流速的突然变化，进而引起管路压力的急剧上升或降低，导致了泵站的水锤，水泵的流量、扬程、转速等参数也发生瞬时的变化.水锤是泵站三害之一，国内外供水泵站工程中，有不少实例都是因为水锤遭受严重破坏［2-3］，因此在泵站设计中必须认真分析研究泵站的水力过渡过程，采取合理可行的水锤防护措施，确保泵站供水系统的运行安全.

1 工程概况

江苏某沿海火电站循环水泵站工程由取水管道、前池、泵站、出水池、输水管道及附属建筑物等组成.取水管道布置于泵站南侧，采用DN3400钢管，长160 m，中心高程-1.5 m.前池位于沿江大堤北侧，池长26 m、宽7.5 ～29 m，池底高程 -3.5 m.泵站主泵房内安装4台1800HDC-14抽芯式混流泵机组，每台泵组设计流量为6.5 m3/s，扬程为10.5 m，泵组出水管均采用DN1800钢管，中心高程4.55 m，每根出水钢管上设置1只液控阀HD7X41X-2.5.输水管道位于主泵房北侧，采用单根DN3500钢筋混凝土管，长961 m，中心高程-4.0 m，终点分岔通过6个竖向出水口与调节水库相接.

取水口最低取水位1.8 m，最高取水位6.0 m.调节水库设计高水位8.93 m，正常蓄水位8.3 m，最低水位5.5 m，调节库容约960万 m3.

泵站液控蝶阀的开阀时间为20～120 s(可调);关闭分两段，快关0°～70°(±10°)时间 2.5 ～25 s(可调)，慢关 70°(±10°)～90°，时间6 ～90 s(可调).泵组主要参数见表1.

泵站工程位于滨海地区，为海相和海陆过渡相沉积地貌，地面高程5.0～7.0 m.根据地质勘探揭示，地基土层为多元结构，自上而下依次为素填土、淤泥质粉质粘土、粘质粉土、粉砂、含砾砂粉质粘土、粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土薄层、细砂、砂砾石等土层，基岩埋藏深60 m以上.其中淤泥质土属于高压缩性低强度的软弱土层，力学性质差，细砂及砂砾石相对较好，是深基础(如桩基)的良好持力层.

表1 水泵电动机组主要参数表

2 水锤防护措施优选

在工程上常用的水锤防护措施主要有调压塔、压力水箱、进排气阀、液控缓闭阀、水锤消除器等［2-3］.为了确保泵站安全运行，结合本工程实际情况，对压力水箱、常规调压塔和溢流式调压塔三种水锤防护措施进行了优化比选.

2.1 压力水箱

泵站出水管与输水管道之间设置压力水箱，水箱水锤参照气垫式调压室进行计算［5］.压力水箱平面净尺寸为23 m ×10 m，底高程为-6.9 m，顶高程6.0 m.

工况KB01和KB02为4台水泵逐台开机情况，每台水泵开机间隔时间5 min，开机时，水箱内水位不断震荡，待4台机全部开启后，水位震荡也会衰减，最终稳定在正常运行的水位;工况 KB03和KB04为4台水泵同时开机情况，属于误操作，水锤压力水柱最高达到160 m，7 min后水面震荡最终也会衰减;工况TB01和TB02为4台水泵逐台关闭情况，每台水泵关闭间隔时间为5 min，关闭时，水箱内水位震荡不止，震荡周期约0.5 min，压力水柱分别在8.98 ～2.89 m 和 16.45 ～4.23 m 之间震荡;工况TB03和TB04为4台水泵同时关闭情况，水箱内水位震荡不止，震荡周期约0.5 min，压力水柱分别在8.87～3.54 m 和13.79 ～5.91 m 之间震荡［1］，表2 为各工况下压力水箱水锤计算成果表，图1为压力水箱在TB04工况时水锤压力时程线.

表2 压力水箱水锤计算成果表

图1 压力水箱工况TB04水锤压力时程线

2.2 常规调压塔

泵站出水管与输水管道之间设置常规调压塔.调压塔平面净尺寸为 23 m×10 m，底高程为-6.9 m，顶高程16.0 m.

水泵逐台开机，塔内水位波动一般3 min左右就衰减［3］;4台水泵同时开机，属于误操作，塔内水位波动也只有3 min左右;水泵逐台关机后，塔内水位震荡不止，水位变幅0.8 m左右，震荡周期4.5 min，TB01和TB02工况塔内水位分别在5.15～5.90 m和8.55～9.30 m之间震荡;4台水泵同时关机后，塔内水位震荡不止，水位变幅超过1.1 m，震荡周期4.5 min，TB03和TB04工况塔内水位分别在4.90 ～6.63 m 和 8.30 ～9.46 m 之间震荡，各工况的常规调压塔水锤计算成果见表3，TB04工况下水锤压力时程线，见图2.

表3 常规调压塔水锤计算成果表

图2 常规调压塔工况TB04水锤压力时程线

2.3 溢流式调压塔

泵站出水管与输水管道之间设置溢流式调压塔.调压塔平面净尺寸为23 m×10 m，底高程为0.7 m，顶高程14.0 m，塔顶设置溢流堰，堰顶高程13.3 m，堰长23 m.

水泵逐台开机，不出现溢流，塔内水位波动与常规调压塔一致，3 min左右就衰减;4台水泵同时开机，属于误操作，塔内水位波动也只有3 min左右;水泵逐台关机后，塔内水位升高直至超过溢流堰顶后向外溢流，水位很快稳定，KB03和KB04工况最大溢流量分别为16.35 m3/s和18.84 m3/s，溢流时间分别为57 s和84 s;4台水泵逐台关机和同时关机后，塔内水位震荡不止，未出现溢流，与常规调压塔一致，溢流式调压塔水锤计算成果见表4.

表4 溢流式调压塔水锤计算成果表

2.4 水锤防护措施优选

压力水箱方案停泵水锤压力大，要求水箱顶板结构和输水管道承压能力高，需要内衬钢板.水箱顶高程与原地面基本齐平，可以保持原地面风貌，箱顶进行种草植树绿化，景观效果较好.与调压塔相比，压力水箱停泵水锤震荡历时长，钢材用量大，工程投资较大.

常规调压塔与溢流调压塔方案水锤压力较小，但是塔顶高于原地面，外露建筑体量大，建筑立面需要进行美观处理，才能与周边城市建设协调.结合输水管道顶管施工，调压塔采用沉井基础.溢流堰下方地面设置排水沟和护坦.

经综合技术经济分析比较，泵站工程推荐采用溢流式调压塔作为供水系统水锤防护措施.

表5 泵站工程供水系统水锤防护措施综合比选表

3 溢流式调压塔设计

溢流式调压塔平面总尺寸为24.6 m×11.6 m，塔顶高程14.0 m，底板顶高程-6.9 m.调压塔分为三格，中间以隔墙相连，以增强平面框架刚度.为了满足出水管与砼输水管道之间的连接，调压塔下部采用沉井基础，沉井平面尺寸与调压塔一致，同时利于减小地基应力.中隔墙上设置四排1.2 m×1.0 m连通孔，中心高程分别为 -4.5 m、0.5 m、4.5 m和10.0 m，每排三孔，使边格室和中格室水体整体升降［4］.

调压塔远离泵房侧塔顶设溢流堰，堰顶高程13.3 m，堰长21.4 m.溢流堰下方地面设置1.0 m ×0.8 m排水沟及时排除外溢水，同时采用混凝土护坦做好地面防冲保护.