抽水泵站水锤分析计算及防护

张 锐

（陕西省榆林市榆阳区红石峡供水站，陕西 榆林 719000）

0 前言

水锤是指在密闭管路系统(包括泵)内，由于流体流量急剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象，又称“水击”。其瞬间压力可大大超过正常压力，并经常产生破坏性影响。某抽水工程共四级加压泵站，各级泵站的扬程相近，其中一、二级泵站出水管道后接隧洞，虽然扬程相对较高，但出水管道较短，三、四级泵站为长距离管道输水，且泵站扬程高，其压力负荷相对较大。选取三级泵站为例进行水锤计算，复核系统的安全性，验证管路及防护系统布置的合理性。

1 泵站概况

三级泵站布置于整个输水干管起点，泵站通过直径为DN1400 球墨铸铁管输水干管将水送至四级站前池，输水干管总长约14.91 km。其中，泵站设计站上水位1008.0 m，设计站下水位932.0 m。共安装4 台离心泵，其中3 台工作，1 台备用。单泵设计流量0.80 m3/s，设计扬程100 m，转速990 r/min。按照相关设备制造厂商资料，机组转动惯量取500 kg·m2。当3 台工作机组同时断电时，引起的水锤压力最大，对系统造成的危害也最大。泵后阀门的快关时间需要根据阀门拒动工况下的流量变化进行初步确定，故先要进行阀门拒动的水力过渡模拟，在此基础上，初步确定阀门关闭规律，再根据计算结果进行调整，最终得到最理想的关闭规律，使系统的最大最小压力控制在管道承压限度之内的同时，满足机组的倒转要求。防护准则为：水泵机组的倒转转速不超过1.2 倍的额定转速，且超过额定转速的持续时间不超过2 min；系统最大压力不超过工作压力的1.3～1.5 倍，最大负压不超过3 m，且不能出现断流弥合水锤。

2 两阶段缓闭蝶阀（无空气阀）

当水泵断电后，管道中水流速度急剧减小，由于出口阀门拒动，出水管道及出水池中的水将向管道中倒流，引起机组倒转。在管道上不布设空气阀，只采用两阶段缓闭蝶阀，采用特征线法复核能否满足水锤防护要求。

2.1 快关5 s，全关15 s

图1 快关5 s，全关15 s 水锤管路压力包络线

该工况下，水锤管路压力包络线见图1。水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压293.8 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

2.2 快关5 s，全关30 s

在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压270.1 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

2.3 快关10 s，全关30 s

在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压262.7 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

2.4 快关10 s，全关60 s

在该工况下，水泵机组不出现反转，管道中发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压188.5 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

2.5 快关10 s，全关120 s

在该工况下，水泵机组最大反转转速-370 r/min，管道中出现断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压133.9 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

2.6 快关10 s，全关180 s

在该工况下，水泵机组最大反转转速-557 r/min，管道中出现断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压122.3 m，最大负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

阀门关闭的不同时间，具体工况见表1。

表1 三级泵站只加两阶段缓闭阀水锤压力情况

3 两阶段缓闭蝶阀和空气阀

以上计算说明，仅使用两阶段缓闭蝶阀难以满足水锤防护要求。根据规范要求，在管道上布置空气阀，每隔800 m～1200 m布置一个，管线布置波峰处加装空气阀，消除断流弥合水锤，减小负压。空气阀进气孔径约为管径的1/8～1/10 之间，排气孔径为进气孔1/8～1/10。取进气孔200 mm，排气孔20 mm。空气阀共20 个。

3.1 快关5 s，全关15 s

在该工况下，水泵机组不出现反转，管道发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5 m，最大正压245.6 m，负压-10 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

3.2 快关5 s，全关30 s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压207.4 m，负压-7.7 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

3.3 快关10 s，全关30 s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压200.8 m，负压-7.8 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

3.4 快关10 s，全关60 s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压197.3 m，最大负压-5.6 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

3.5 快关10 s，全关120 s

在该工况下，水泵机组最大反转转速-403 r/min，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压128.2 m，负压-3.5 m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

3.6 快关10 s，全关180 s

水锤管路压力包络线见图2。

图2 快关10 s，全关180 s 水锤管路压力包络线

在该工况下，水泵机组最大反转转速-593 r/min，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压109.5 m，负压-3 m。在控制范围内，满足水锤防护要求。具体工况见表2。

表2 三级泵站加两阶段缓闭阀和空气阀水锤压力情况

为有效消除泵后压力管道水锤，可在每条水泵出水支管上均安装液控缓闭阀，在阀门处相应安装有伸缩节。为满足液压缓闭阀检修方便，在液压缓闭阀后出水支管上分别安装电动蝶阀和伸缩节各1 套。阀门和伸缩节的公称压力根据水锤计算结果选定。

4 其它水泵水锤分析

同理，采用类似三级站的特征线水力计算方法，可求出一级泵站出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀2 s 关闭80%，至60 s 关完。在出水管道布置两台复合式空气阀。最大正压135.9 m，为当地工作压力（118.0 m）的1.15 倍，机组无倒转，在控制范围内。二级站出水管道上同样采用两阶段缓闭阀2 s 关闭80%，至80 s 关完。在出水管道布置两台复合式空气阀。四级站出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀10 s 关闭80%，至180 s 关完；在管道高点共布置6 个排气阀，进气孔200 mm，排气孔20 mm。水泵最大反转转速-858 r/min，最大正常工作压力87 m，最大正压91.3 m，最大负压-2.3 m。最大正压126.4 m，为当地工作压力（91.3 m）的1.05 倍，在控制范围内。

经水力过渡计算，可综合采用两阶段缓闭阀和空气阀消除水锤压力，满足泵站安全正常运行要求。

5 结语

水锤现象在压力管路中，由于流体的流速剧烈变化而引起一系列急骤地压力交替升降的水力撞击现象。管路中发生水锤现象时，随着压力的交替升降，液体分子质点将相应地呈现密疏状态交替变化。经分析计算，三级泵站在出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀时，10 s 关闭80%，180 s 关闭100%。在管道高点共布置20 个排气阀，进气孔200 mm，排气孔20 mm。最大正压109.5 m，为当地工作压力（98.5 m）的1.11 倍，水泵机组最大反转转速-593 r/min，管道最大正常工作压力98.5 m，最大正压109.5 m，负压-3 m，在控制范围内，满足水锤防护要求。采用相同方法，求出其它泵站水锤防护措施。所以，在该抽水站中，可综合采用两阶段缓闭阀和空气阀消除水锤压力，满足泵站安全正常运行要求。