大管径高扬程泵站工程水锤防护措施分析

范勇锋

大管径高扬程泵站工程水锤防护措施分析

范勇锋

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

以新疆YEEQ工程中大口径、高扬程输水管道为例，通过对通常的水锤防护措施进行计算分析研究，最终确定本工程采用单向调压塔+进排气阀综合防护措施，可以有效地降低整个管道的水锤压力，达到消除水锤负压，降低水锤正压的目的。

高扬程；泵站；输水管道；水锤；调压塔

1 工程概况

YEEQ工程位于新疆北疆地区，为长距离压力输水管道工程，布置于扬水泵站与输水隧洞之间，主要由钢岔管段、压力管道段、管道出口段等建筑物组成。该工程主要解决哈密地区工业园工业用水问题。

工程泵站设计扬程为186 m，泵站共安装6台流量为3.25 m3/s卧式双级双吸离心泵（4台工作，2台备用）。其中，3台水泵并联在一根管路上，正常运行时单根管路上为2台流量为3.25 m3/s水泵并联运行。压力管道为双线布置，设计流量为13 m3/s，管线长11.16 km，管径为DN2400 mm，最大工作压力1.98 MPa，管材选用涂塑钢管（7.34 km）+PCCP管（3.82 km）。

2 水锤防护问题的提出

在长距离输水系统中，突发性的事故停泵将引起管道内水流速度的突然变化，从而导致管道内压力大幅度升高、降低交替变化，形成水锤。较大的水锤升压和降压、甚至出现负压对泵站机组和压力管道都是有危害性的。

本文首先研究分析了压力管道不采取无任何水锤防护措施，在设计水位工况下，事故停泵时的水锤压力情况。计算结果分别见图1～3。

由计算结果可以看出：（1）无防护措施时，2台机组停机过渡过程中管路系统的最大压力为303 m，出现在泵站出口处。最小压力-8 m，管线后半段多处出现汽化。末端出水池在事故停泵292 s后全部流空。（2）从水泵出口流量、压力和转速随时间变化曲线上可以看出，事故停泵发生9.2 s后泵开始出现倒流现象，最大倒流流量3.2 m3/s，21s后水泵开始出现倒转现象，最大倒转转速25 r/s，超过额定转速的1.2倍，不满足规范要求[1]。

图1 压力包络线

图2 泵出口流量和压力随时间变化曲线

图3 泵转速随时间变化曲线

由以上分析可知，在无防护措施的情况下，事故停泵后，压力管道出现了较大的正水锤压力值，同时沿线多处出现负压，水泵倒转转速超出规范要求[1]。因此，应对压力管道进行水锤计算分析和防护设计，确定合理的水锤防护方案，从而确保压力管道工程的安全运行。

3 停泵水锤分析及防护措施

泵站扬水管道工程通常采用的水锤防护措施主要有：单向调压塔、水锤消除罐和箱式双向调压塔[2-4]等。目前，我国已建泵站工程水锤防护措施部分运用实例见表1。

本工程管线纵向布置均为仰坡，沿线无凸点，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。考虑到箱式双向调压塔除了设置塔室外，在消除负压时需另设补水池配合工作，补水池的容积及高程同单向调压塔，其工程布置比单向调压塔和水锤消除罐相对复杂。因此，本工程未考虑箱式双向调压塔方案。

本工程水锤防护方案根据工程特点及运用实例初拟：水锤消除罐方案、单向调压塔方案、水锤消除罐方案+单向调压塔方案。

水锤防护的设计技术要求主要为：泵站机组采用卧式泵布置方式，水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2 min，启泵压力最大不超过水泵零流量时水泵出口压力；保证管线最小压力大于2 m，管线停泵时最大压力不超过260 m。

各防护方案下的计算情况如下：

3.1 单向调压塔防护方案

在管道沿线设置6个单向调压塔，1#调压塔，直径4 m，初始液面高度6 m，设置在桩号6+480处；2#调压塔，直径4.5 m，初始液面高度14 m，设置在桩号8+056处；3#调压塔，直径5 m，初始液面高16 m，桩号9+025；4#调压塔，直径4.5 m,初始液面高度14 m，设置在桩号9+589处；5#调压塔，直径4.5 m，初始液面高度14 m，设置在桩号10+291处；6#调压塔，直径4.5 m，初始液面高度14 m，设置在桩号10+937处。

此方案泵后关阀程序为两阶段线性关阀，快关时间8 s，关闭85%，慢关时间64 s，关闭15%。

图4是在设计水位工况时，设置该防护措施的情况下，2台机组停机过渡过程，管路系统的压力包络线，管路最小压力2.26 m，最大压力259 m，泵的最大倒流流量2.48 m3/s，最大倒转转速19.98 r/s，未超过额定转速的1.2倍。均满足要求。

3.2 空气罐防护方案

在管道8+725出加装一个水锤消除罐#1，初始液面高3.3m，罐高4 m，直径3 m；在桩号9+589处装两个水锤消除罐#2，#3，在桩号10+491装一个水锤消除罐#4，均为初始液面高3m，罐高4 m，直径3 m。

此方案泵后关阀程序为两阶段线性关阀，快关时间8s，关闭85%，慢关时间64 s，关闭15%。

图6是在设计水位工况时，在该防护措施的情况下，2台机组停机过渡过程，管路系统的压力包络线，最大压力366 m，最小压力-1.72m，整个管线无汽化现象，泵最大倒流流量为3.5m3/s，倒转为29r/s，超过额定转速的1.2倍，不满足规范要求。

图4 压力包络线

图5 泵转速随时间变化曲线

图6 压力包络线

图7 泵转速随时间变化曲线

3.3 单向调压塔+空气罐防护方案

在管道沿线加装1个空气罐，3个调压塔。空气罐为安装在桩号7+388处，直径3.5 m，高4 m，液位高3.3 m；调压塔分别为：1#在桩号9+589处，直径5 m，液位高14 m；2#在桩号10+ 291处，直径5 m，液位高10 m，3#在桩号10+937处，直径5 m，液位高12 m。

该方案关阀程序为两阶段线性关阀，快关时间8 s，关闭85%，慢关时间64 s，关闭15%。计算结果如图8，管线最大压力为287 m，出现在泵出口处，最低压力为2.16 m，泵最大倒流流量为2.6 m3/s，最大倒转速度19.97 r/s，未超过额定转速的1.2倍。可以看出管线最大压力不满足技术要求。

表1 国内泵站工程水锤防护措施部分应用实例表

图8 力包络线

通过以上计算结果分析可知，三种水锤防护方案中，仅单向调压塔方案满足设计要求，因此本工程中推荐采用该方案。工程中防护措施具体布置如下：

在管道沿线设置6个单向调压塔，具体布置见表2和图9。每个塔防护单根管线，在泵出口主管上安装超压泄压阀：口径600 mm，整定压力232 m；在管道沿线或局部高点安装9个普通空气阀（口径400 mm），具体桩号如下：0+500，1+700，2+ 805，3+805，4+805，5+805，7+480，8+480，10+589。

采用该措施下能够保证机组在两台泵同时失电的情况下：系统最大压力259 m，最小压力2.26 m，关阀情况下可以保证泵倒转不超过额定转速的1.2倍，满足防护要求。

表2 管道沿线调压塔布置表

图9 管道沿线调压塔布置图

4 结论

本文分别对泵后水锤防护措施采用单向调压塔、空气罐、单向调压塔+空气罐方案进行了分析研究。

由上述结果显示：（1）安装空气罐的方案只能有效控制管线6+480附近的负压，对于管道后半段，空气罐对负压的控制效果并不理想，由于受空气罐容积有限的影响，空气罐对正压的防护也不理想，计算结果中最大正压为366 m，大大超出了设计要求，同时水泵倒转为29 r/s，超过额定转速的1.2倍，不满足规范要求；（2）采用单向调压塔+空气罐方案防护效果中，因为泵后最大正压为287 m，也不满足设计要求；（3）单向调压塔方案的防护效果最优，各项结果指标均能满足要求，因此本工程中宜推荐采用该方案。

[1]取水输水建筑物丛书——泵站.北京：中国水利水电出版社，2004.

[2]柳宗仁.停泵水锤计算及其防护措施[J].甘肃水利水电技术，2004,40(3).

[3]林琦、刘志勇等.长管道输水系统停泵水力过渡过程分析与防护[J].中国农村水利水电，2011，2.

[4]李江、徐燕等.高扬程泵站工程水锤防护计算研究[J].水利规划与设计，2014，11.

TU991.3

B

1673-9000（2017）02-0064-03

2016-12-05

范勇锋（1984-），男，陕西渭南人，工程师，主要从事水利工程设计工作。