夹岩水利枢纽工程灌区长距离泵站水锤计算与分析

黄正财, 郑录艳

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 计算原理

水锤是指有压管道内部流速因外界条件而急剧变化时引起管道内部水压力急剧变化交替升降的现象。水锤的危害包括过高水锤压力可能导致水泵、阀门和管道破坏；过低水锤压力可能导致管道失稳破坏；过高的飞逸转速可能导致水泵机械部件损坏。

水锤计算是对整个管道输水系统进行计算分析，包括管道内点及与管道连接的泵装置中的各部分(边界点)。当水泵机组因突然断电或其他原因导致机组在开阀状态下停车时，由于产生急剧压力交替升降变化的水击现象，使得机组、阀门及输水系统处于最严重的停泵水锤威胁。停泵水锤计算的基本原理是按弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程(1)和连续方程(2)，方程式如下。

运动方程式：

(1)

连续方程式：

(2)

式中H为管道水头；V为管内流速；D为管径；g为重力加速度；a为水锤波传播速度；θ为管道与水平面夹角。

本文将以夹岩水利枢纽及黔西北供水工程中寨二级泵站为例，利用HAMMER水锤软件进行水锤计算并风险分析，并将配备必要的防水锤措施以保证机组、阀门和输水系统运行安全。

2 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3部分组成。夹岩水库校核洪水位为1 325.93 m，正常蓄水位为1 323.0 m，总库容为13.21亿m3；设计灌溉面积为5.958万hm2；多年平均年供水量为6.607亿m3，坝后电站装机容量为 70 MW，工程等别为Ⅰ等大(1)型工程。

中寨二级泵站是灌区骨干输水工程中织纳片区的重要泵站，主要给纳雍县城供水，年供水量为1 164万m3。泵站从进水池取水，站内装有3台卧式单级双吸离心泵，装机容量为3×630 kW(2用1备)，泵站设有1根DN900 mm出水总管，长度约3.26 km至高位水池，出水总管材质均为Q235C，出水总管桩号G0+000.000～G0+732.033 m管线壁厚为10 mm，桩号G0+732.033～G2+909.282 m管线壁厚为8 mm，管线末端至高位水池壁厚为6 mm。中寨二级泵站机组性能曲线见图1所示，机组主要参数见表1。

3 数据模型建立

根据夹岩水利枢纽工程中寨二级泵站出水总管布置图，在HAMMER软件中建立系统数据模型，建立的节点参数统计(见表2)，管道参数统计(见表3)，模型管线剖面(如图2所示)。

图1 中寨二级泵站机组性能曲线

表1 机组主要参数

表2 节点参数统计

表3 管道参数统计

图2 模型管线剖面示意

4 系统稳态恒流运行工况

中寨二级泵站水泵机组在额定工况下，2台工作机组恒流运行，输出额定流量，此时该工况下压力包络线如图3所示。

图3 系统稳态恒流运行工况压力包络线示意

5 系统瞬态停泵工况计算

根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)确定，本泵站当事故停泵瞬态工况水锤计算应满足如下原则：

① 最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；

② 最高反转速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；

③ 输水系统任何部位不应出现水柱断裂。

本泵站水泵设计扬程为119 m(净)，输水总管长度为3.26 km，输水管线长，且从模型管线剖面图可以看出，管线布置起伏多而大，地形较为复杂，瞬态工况下水流流态复杂。

5.1 无水锤防护措施条件下事故停泵水锤计算

当中寨二级泵站机组在无水锤防护措施条件下遭遇事故停机，2台工作机组同时断电，此时，其水锤计算按一根主管相关联的2台工作机组同时断电，泵后泵控阀门5 s关闭时作为过程过渡计算工况，计算后压力包络线如图4所示。

图4 系统无水锤防护措施下事故停机压力包络线示意

经计算，从上述压力包络线图及结果可以看出，5 s关阀后，无水锤防护措施条件下，水泵出水管线正压升压很高，绝对压力达到310.8 m，为水泵出口额定压力的2.61倍，超出规范要求，此时管线基本全线为负压，水泵转速为+385.6 r/min，无反转。下一步需解决压力超高及负压问题。

5.2 增设防水锤措施后事故停泵水锤计算

为了解决水泵出口压力过高的问题，拟在泵站出水总管始端设置DN400水击泄放阀和DN400水击预防阀各1台，在此条件下，泵站2台工作机组同时断电，泵后泵控阀门5 s关闭时作为过程过渡计算工况，计算后压力包络线如图5所示。

图5 系统设泄压阀措施下事故停泵压力包络线示意

经计算，从上述压力包络线图及结果可以看出，5 s关阀后，无水锤防护措施条件下，水泵出水管线正压升压很高，绝对压力达到288.6 m，为水泵出口额定压力的2.43倍，此时虽然管线压力有所改善，但压力允许值还是超出规范要求，且管线基本全线为负压，经分析，管线在J10节点驼峰处出现水柱拉断现象，可能产生断流弥合水锤，使得管线水击波传播更为复杂，针对这一情况，考虑在管线上设泄压阀的前提下，再增设复合式空气阀来解决。根据管线布置情况，拟在J6/J8/J10/J21/J25节点处设置DN250 mm复合式空气阀各1台，该阀门具有快速吸气，微量排气功能，能有效防止断流弥合水锤和改善管线负压的作用。在此条件下，泵站2台工作机组同时断电，泵后泵控阀门5s关闭时作为过程过渡计算工况，计算后压力包络线如图6所示。

经计算，从上述压力包络线图及结果可以看出，本泵站在出水总管始端设置DN400水击泄放阀和DN400水及预防阀各1台，输水管线5个节点处设DN250 mm复合式空气阀各1台后，水泵出水管线水击压力得到较大改善，绝对压力最大值为131.0 m，为水泵出口额定压力的1.1倍，水泵转速为+371.5 r/min，无反转，且管线基本无负压，满足规范要求。

图6 系统设泄压阀及空气阀条件下事故停泵压力包络线示意

6 结语

根据夹岩水利枢纽附属灌区泵站系统可以看出，它具有高扬程、管线长和管线布置起伏多变等特点，这便是导致水泵机组事故停机时，输水管线内水击波传播复杂的因素。当水泵机组事故关阀时输水管线内压力急剧增大，无防护措施下压力可能达到好几倍，且管线布置在地形驼峰处可能出现断流弥合水锤，并形成管线大部分负压，给整个泵站系统带来极大风险。当泵站系统设置泄放阀门后，仅对系统正压有改善效果，但因管线驼峰处断流弥合水锤与水泵关阀水锤的叠加而改善效果不明显，故综合考虑采取了改善正压与负压解决措施。当系统在关键部位布设泄放阀门及空气阀门后，整个系统无论正压还是负压均得到很大改善，水泵出口压力下降至额定压力的1.1倍，管线全线基本无负压，效果十分明显，达到规范所规定的运行条件。目前，我国水利工程处于传统水利向智慧水利转变的过程中，很多专业建设均可通过先进手段，建立系统模型，基于原理模拟整个系统运行规律，达到更好服务于工程建设的目的。