高扬程泵站事故停泵水锤复核计算

任宝红

（延安南沟门水利枢纽工程有限责任公司，陕西 延安 716000）

0 前言

近年来我国的水利事业得到了长足的发展，工业及生活用水与供水不足之间的矛盾也成为制约经济发展及限制人民生活水准的主要因素。为了解决这一矛盾，很大一批供水工程尤其是长距离调水工程逐步上马，其中有很多涉及多级泵站提水工程。高扬程泵站在运行过程中遇到突然失电的情况下，管道中水瞬间倒流，泵站控制系统会关闭工作阀，在关阀过程中倒流的水遇阻产生水锤对管道及机组产生一定程度的破坏，合理的水锤防护方案对确保泵站安全稳定运行具有重要意义。

南沟门水库北线供水工程为陕北黄土高原地区泵站提水工程，二级泵站华能电厂方向设计扬程300 m，为减少泵站设置，采用多级离心泵高扬程供水，在水锤防护方面采取了两阶段关闭、压力罐、水击泄放阀、线路空气阀组合式的水锤防护方案，确保泵站运行过程中突然失电后能正常关机，防止水击破坏。本文以南沟门水库北线供水工程二级泵站华能电厂方向水锤防护方案为例，依据系统参数和水锤防护标准对组合式水锤防护方案的合理性进行复核。

1 系统参数

1.1 进出水池参数设定

起点：二级站进水池；终点：二级站末端出水池；进水池设计水位847.38 m；出水池设计水位1108.5 m（原设计水位1130 m，末端出水池未建成，实际水位1108.5 m）；设计净扬程282.62 m（现有条件实际净扬程：261.12 m）[1]。

1.2 泵站内参数设定

二级站华能电厂方向设计安装3台卧式离心泵（2用1备），性能参数表1。

表1 水泵参数表

水泵额定转速nr=2980 r/min；水泵额定流量Qr=0.12 m3/s；水泵额定扬程Hr=299.8 m；水泵额定效率ηr＝80.9%；水泵额定功率=435 kW；配套电机YXVF4506-2，额定功率 ND=560 kW；机组转动惯量 J=29.8 kg·m2；水泵比转数：

表2 水泵吸水支管、出水支管参数表

水锤波速计算公式：

1.2.1 输水管路参数设定

表3 输水母管参数表

图1 输水母管纵向布置图（左线）

图2 输水母管纵向布置图（右线）

1.2.2 水头损失计算

总水头损失=沿程水头损失+局部水头损失，即h总=h沿+h局，沿程水头损失采用下列曼宁公式进行计算，局部水头损失取沿程水头损失的15%，即h总=1.15h沿[2]。

h沿=（钢管的糙率n=0.0015、球墨铸铁管的糙率n=0.012）

1.3 稳态运行工况

两台水泵并联运行，采用双管供水，泵后阀全开，得到稳态的运行工况见图3。

图3 双泵双管运行稳态工况图

2 水锤防护遵循的标准规范

依据《泵站设计规范GB50265-2010》，当事故停泵采取防护措施或方案后，瞬态特性参数应满足下列条款的规定[4]：

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

2）最高压力不超过水泵出口额定压力的1.3倍～1.5倍。

为保证工程的安全运行，取系统最高压力不超过水泵出口额定压力的1.3倍。

3）输水系统任何部位不应出现水柱断裂。

依据《泵站设计规范GB50265-2010》，计算中取负压的防护准则为：水体在最高水温下不汽化。当地海拨高程取输水管线最高点的海拔高程，即海拔高程为1108.5 m，则大气压头=8.89 m；当地最高水温取30℃，则水的饱和汽化压头=0.43 m；输水管道直径D=0.40 m。为防止管道内的水体汽化，取安全余量H余=2 m。则对于本工程管道中心线的压力取值为：

3 防护方案下事故停泵水锤复核

3.1 水锤防护方案

南沟门北线供水工程二级站华能电厂方向最终采用液控两阶段关闭偏心半球阀+防水锤压力罐+水击泄放阀的组合水锤防护方案。

3.2 水锤防护方案复核计算及各防护设备的工作状态

计算采用美国hammer软件进行计算，计算结果如下[3]：

两泵并联运行时，水泵出现事故停机。

左线最大压力293.6 m，发生于桩号0+000处；相对于此处的正常工作压力，最大压力倍数1.05；最小压力-0.35 m，发生于桩号4+431处；

右线最大压力293.61 m，发生于桩号0+000处；相对于此处的正常工作压力，最大压力倍数1.05；最小压力-0.41 m，发生于桩号4+456处。

事故停泵后，管道内压力先急剧下降，随后回升，再波动后最终稳定于出水池水位。阀门完全关闭后，管道内产生的水力波动不大。

事故停泵后后，水泵流量逐渐减小，转速下降，扬程逐渐降低。随着阀门逐渐关闭，倒流流量趋向于零，最终水泵扬程、机组倒转也逐渐趋于零。

水泵处的水流在停泵后3.2 s开始倒流，最大倒流流量-0.06 m3/s，由于关阀时间较快，水泵并没有发生倒转。因压力罐的作用，虽然关阀时间较快，并没有引起较大的压力升高。

泵后液控阀在停泵后2 s快关至90%行程，余下的10%行程采用10 s关完；阀出口的压力先降低后回升，经波动后逐渐趋于稳定，最大压力293.66 m，升压比1.05倍；阀门处的水流在停泵后3.2 s开始倒流，最大倒流流量0.06 m3/s，随着阀门的逐渐关闭，流量最终趋于零。

事故停泵后，压力罐处的压力降低，罐内空气迅速膨胀，罐内的水在空气压力作用下迅速向主管补水，罐内水体积及水深逐步减小。当水锤波反射传回，管道中的压力上升，高压水流入压力罐中，罐内空气被压缩，罐内水体积及水深逐步增大；罐内初始水体积6.68 m3，最大水体积7.02 m3，最小水体积5.01 m3，最大水深1.85 m，最小水深1.32 m。

事故停泵后，压力罐处的压力及罐内空气压力先降低后回升，经波动后最终稳定于出水池水位；压力罐处的最大压力293.63 m，罐内最大空气压力304.62 m；

事故停泵后，压力罐的水先向管道补水，高压波返回时，管道中的水又会流入压力罐中，经波动后最终趋于稳定；在停泵后7.7 s，压力罐向管道补水流量达到了最大，最大出水流量0.159 m3/s；在停泵后34.3 s，管道中的水流入压力罐中的流量达到了最大，最大进水流量0.096 m3/s。

经过计算，南沟门水库北线供水工程二级泵站华能电厂方向水锤防护方案经计算复核规范要求。

4 结语

经复核，南沟门水库北线供水工程二级泵站华能电厂方向水锤防护方案经计算复核规范要求。泵站安全运行需要能应对各种工况的运行要求，事故停泵后的水锤是会对泵站造成毁灭性的破坏的一种最不利工况，设计人员在水锤防护计算、方案必选及设备选型方面要经过多重复核，工程管理人员在工程建设过程中也要严格按照设计进行设备采购、现场安装，同时要考虑现场大的施工变更对水锤计算造成的参数变化。在泵站的运行过程中，有条件的情况下必要对水锤防护的可靠性进行必要的验证，同时要定期观测防护设备的工作稳定性。