高扬程大流量多起伏泵站水锤分析

谭毅源，陈维亮，字先文

(楚雄欣源水利电力勘察设计有限责任公司，云南 楚雄 675000)

水泵的启动与停机将造成管道中流速的突然变化和压力急剧升高与降低，往往导致水锤事故的发生，高扬程、大流量的提水泵站，水力过渡计算就显得更加重要。对泵站、管道的安全性和工程造价起着决定性作用。现有文献研究表明，不同管道水力特性、不同管材、不同的水锤防护措施对水锤的最大值都有不同程度的影响，同时具有高扬程大流量多起伏等特征的泵站水锤又具有不同的特性。

东河泵站是勤丰工业园区的供水工程，其中一期工程总共装机3台(3备1)离心泵组。该工程具有扬程高流量大起伏多的特点，泵单台额定流量2400m3/h，装机功率3150kW，额定扬程325m，4.5km的提水线路上较明显的高点有11个。

1 水力过渡过程分析目的和内容

1.1 计算目的

(1)对泵站在可能出现工况下水力过渡过程进行计算，确定水泵出口工作阀门的合理关闭时间；确定最大水锤压力；确定泵组的最大倒转转速。

(2)计算可能出现的各种工况下，管线最大最小水锤压力值分布以及主要结点处(例如镇墩处)的水锤压力时程。各级泵站水泵出口最大水击压力升高不超过最高几何扬程的1.5倍；管路系统沿线均不能出现水柱断裂，管线管顶最小压力大于2m。

1.2 计算内容

(1)计算泵站因事故断电停泵时，工作阀按设计要求启动关闭时的水力过渡过程。

(2)计算泵站因事故断电停泵时，工作阀未按设计要求启动关闭(简称拒动)、转而启动事故备用阀关闭时的水力过渡过程。

(3)计算泵站因事故断电停泵时，工作阀拒动、且事故备用阀启动关闭失败时的水力过渡过程。

1.3 计算工况

计算工况见表1。

1.4 系统特性

水泵选型为双吸自平衡离心泵主要特征参数详见表2。

提水主管管径DN800，全长4.3km，采用钢管，管路特性如图1所示。

图1 管路特性

2 数学模型

描述管道中可压缩流动的方程可表述为：

动量方程

(1)

表1 计算工况

表2 水泵特性

连续方程

(2)

式中，g—重力加速度；A—管道断面面积；H—水头；Q—管道流量；f—管壁摩擦系数；s—沿管轴线的轴向坐标；t—时间；D—管道直径；c—水锤波速。

采用特征线法求解，将流量Q和水头H作为基本变量，管道流动的基本控制方程为一组双曲型的偏微分方程，可以进一步转化为两组常微分方程，分别表示为正水锤方向(c+)和负水锤方向(c-)：

(3)

(4)

3 计算结果

各工况计算结果见表3。

(1)3台泵并列运行并同时失电为系统的控制工况。按3台泵组并行运行失电的最不利工况进行了大量比较计算，根据失电后最大水击压力、负压空化、泵反转转速等控制要求，工作阀门拟采用线性关闭规律，关闭时间可在9～12s之间选择均可基本满足设计要求。

(2)根据工作阀门按9s线性关闭的计算结果，比较计算了水锤压力泄压阀不启动与启动泄压的计算结果。当泄压阀不启动运行时，阀后最大水锤压力为8.43MPa，2+870.0后的管线出现较为严重的水锤负压，导致空化和水柱拉断的现象，管道尾段的空气阀启动出现大量进排气过程。启用泄压阀后，最大水锤压力压力限制不超过4.5MPa，即扬程1.3倍，压力系统的水锤特性得到了较大的改善，最大水锤压力和最小水锤压力均得到了有效的控制，空化现象明显减轻。

(3)3台泵并列运行并同时失电，且工作阀拒动工况，水锤压力抑制阀最大泄压流量为为0.56m3/s，泵组反转速为1095r/min，反向流过水泵的最大流量为0.51m3/s。泵组最大反转速出现在3台机组并列运行且其中1台组因故失电停机，且工作阀拒动的工况，泵组最大反转速达到1619r/min，为额定转速的1.1倍，满足不超过额定转速1.2倍的要求，反向流过水泵的最大流量达到0.71m3/s。

(4)泵站稳态工况下，系统各项水力指标及参数均能满足设计要求。3台机并行运行的过流能力7315m3/h，其中：1号泵：2428m3/h，2号泵：2439m3/h；3号泵：2447m3/h；总水头损失69.5m。2台机并行的过流能力为5526m3/h，其中：1号泵：2759m3/h，2号泵：2769m3/h；总水头损失41.3m，满足设计要求。

表3 各工况计算结果

(5)泵的特性扬程选择略偏高，导致管线出口(出水池)处扬程富裕较多，可能会导致处水池出口流速偏高，形成冲刷作用。

4 水锤防护措施

4.1 设置水锤泄放阀

在机组同时失电停泵工况下，水锤压力抑制阀均有不同程度的开启泄压的过程，最大泄压流量发生在3台泵并列运行并同时失电，且工作阀拒动工况，泄压流量可达0.555m3/s。

4.2 启闭时间

(1)泵站开机启动的程序为：3台泵启动后，依次间隔5s，按5s线性规律逐台开启泵后工作阀，即，第一台泵工作阀按5s线性规律全开完成后，间隔5s，再按5s规律开启第二台后泵工作阀，依次开第三台泵工作阀。

(2)泵站关机的程序为：3台泵保持运行状态，按9s线性规律关闭，间隔5s依次逐台关闭工作阀，即，第一台泵工作关闭完成后；间隔5s，再依次按同样的规律关闭第二、第三台泵的工作阀。

4.3 增加进排气阀

由于管线较长，原设计有11个空气阀，根据计算结果在失电停泵或正常机停泵的情况下，管线2+870.0附近均会不同程度出现负压，在该处附近新增3个空气阀，最大进/排气量达到约2m3/s。

5 结语

泵站设计中根据调节计算布设水锤消除设施非常重要，无设施的压力升高值是有设施的2倍，对泵和管路系统的运行带来的灾难甚至是毁灭性的；长距离的提水管道需要在顶点处布置空气阀，以消除或减小弥合水锤的压力，尤其要关注管路中段，即使不是明显的顶点或高点，但由于位置的不利，对进气量的要求非常高；逆止阀与水锤消除设施应设计成机械式的以保证在停电状态下有双保险。