高压力大型浮船泵站水锤防护措施研究

袁 芳，刘志勇，张 阳

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065;2.武汉大学，湖北 武汉 430072)

1 概述

浮船泵站适用于水位变化幅度为10～35m，枯水期水深大于1.5m，河床稳定、河道水流平稳、风浪较小、停泊条件良好的取水工程[1]，具有制造简便、施工周期短、造价低等优点。相较于传统取水泵站，浮船取水水质较好，安全可靠，不受水位变化、涨落频率变化等因素影响[2]。

根据近些年国内浮船泵站的文献资料显示，浮船泵站的研究主要为在水利、矿山等行业内的应用研究[3- 7]、设计参数分析[8- 10]和后期管理运行研究[11]。而泵站水锤防护措施研究则主要针对地面泵站，如高扬程大流量的泵站工程[12]、长距离大流量高扬程的输水管线[13]等工程。

本文针对高压力下的大型浮船泵站，以降低水锤压力对浮船系统的冲击为目标，结合实际案例，采用数值模拟的计算对比分析方法，研究空气罐不同布置位置和增加中间止回阀后对泵站系统水锤压力的影响。

2 工程概况

该浮船泵站位于金沙江右岸文化沟下游1.5km处，设计输水流量1.32m3/s，采用浮船式泵房，泵房内布设6台卧式多级离心泵(4用2备)，单机流量0.33m3/s，设计扬程362.76～385.36m，单机功率1800kW，总装机10800kW。浮船泵站采用旋臂式，通过3根旋臂与岸上固定连接，主旋臂长50m，出水管道为单根DN1000钢管，沿山坡山脊线布置，接入二级泵站进水前池，固定管线长810m，在桩号A0+056、0+576、0+690处设空气阀。

3 水锤防护措施确定

3.1 水力过渡过程计算

首先采用特征线方法对整个管道输水系统进行水力过渡过程计算，包括管道内点及与管道连接的泵装置中的各部分边界点。经计算，输水系统初始恒定流计算结果如下：

(1)在相同的运行台数下，净扬程越小，水泵流量越大；在相同的净扬程下，水泵运行台数越多，单泵流量越小，但总流量越大，由于输水管线较短，不同运行台数时的水泵工作点变化不大；在设计净扬程、设计运行台数(4台)下，单泵流量为0.379m3/s，水泵工作点位于高效区内；总供水流量为1.514m3/s，满足供水流量需求。

(2)在不同水位组合和不同水泵运行台数下，全线测压管水头线均在管顶线以上，无负压出现。

在上述初设条件下，对无防护措施情况下的事故停泵水锤压力进行计算，得出结论：在无水锤防护措施的条件下，发生4台事故停泵、泵出口阀拒动时，水泵倒转转速不满足GB 50265—2010《泵站设计规范》中的要求；管线中有汽化压力出现，但单点的最大汽化体积较小；管线中的最大水锤压力为初始恒定流压力的1.20倍，满足最大水锤压力控制标准。因此，本系统的事故停泵水锤防护主要是解决水泵倒转转速超标和部分管段的负压超标问题。

3.2 防护措施确定

为将机组的倒转转速和管线中的最大、最小水锤压力控制在水锤防护标椎以内，本次拟定3种不同的水锤方案进行计算比较，即：防水锤型空气阀方案、单向调压塔+防水锤型空气阀方案和空气罐方案。经过计算对比，最终选定防负压效果最好的空气罐为本项目水锤防护措施，具体如下：

(1)泵出口阀3s线型关闭。

(2)泵后出水母管上安装空气罐，空气罐总容积20m3，初设水体7.36m3，初设12.27m3，补水管直径400mm，罐体直径2.5m，罐体高度4m，初始水深1.5m。

4 空气罐安装位置对水锤压力的影响

高压力大型浮船泵站的设计需注意以下几点：

(1)合理布置，尽量减小船体面积及高度，确保船体稳定性。目前已建的浮船泵站多为整体式布置，即机组、配电、控制、办公管理等所有设备均集中布置在船上，船体多为2～3层，整体高度8～12m。本项目拟定将配电、控制和办公设备布置在岸上，船上仅布置水泵机组及其附属阀件等设备，以此减小船体面积和船体高度。

(2)高压力下，浮船泵站的关键技术点为旋转接头处的承压能力和密封技术。本项目运行水头高达385m，设计压力等级6.4MPa。浮船泵站运行过程中，其旋转接头需保证在正常运行和事故停泵时的旋转功能和密封性能良好。由于事故停泵时的水锤压力大于运行时的压力，故应采取措施将旋转接头及其下游系统的压力尽可能降到最低，并尽力阻止水锤波通过旋臂传递至船体及其设备。

基于以上2方面，对空气罐不同布置位置情况下的水锤压力进行模拟计算，同时研究增加中间止回阀后对水锤波传递的影响。

4.1 空气罐布置在泵后的水锤压力计算

影响空气罐水锤防护效果的主要因素包括：初始水量、初始气体体积和连接管直径。空气罐必须具有足够的初始水量，保证在停泵后的压力下降阶段向主管内补水；又必须具有足够的气体体积，以满足压力升高时罐内气体被压缩，容纳进入到空气罐内的高压水；同时，必须具有合适的连接管直径，既要保证罐内水体能及时补充到主管中，又不至补入过多水体，导致空气罐容积过大[14]。

考虑到在水泵出口设置空气罐后，停泵时空气罐内的水将倒流回进水池。因此，为尽量减小空气罐容积，应尽可能缩短泵出口阀的关闭时间，本次按泵出口阀3s线性关闭考虑。根据空气罐不同参数的试算结果，拟定罐体直径2.5m，罐体高度4.0m，初始水深1.5m，补水管直径0.4m。经模拟计算，4台泵在不同净扬程下全部事故停泵时的计算结果见表1。

由表1可知，在空气罐防护、泵出口阀3s线性关闭、初始4台运行全部事故停泵的条件下，机组的最大倒转转速、最大水锤压力和最小水锤压力均满足水锤防护的要求。其水泵特征量的变化过程、沿线压力包络线、泵出口阀后点压力的变化过程、空气罐内水深变化过程如图1所示。

从图1(a)中可以看出，水泵在停泵后的0.27s开始倒流，在停泵后的第2.28s开始倒转。水泵的最大倒转转速为其额定转速的0.25倍，最大倒泄流量为额定流量的0.96倍。水泵的倒转转速满足GB 50265—2010中规定的“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍”要求。

表1 空气罐防护的事故停泵水锤计算结果 单位：m

图1 事故停泵水力过渡过程计算结果(4台运行全部停，泵后空气罐、关阀，最高净扬程)

从图1(b)(c)中可以看出，水泵出口阀后点的最大水锤压力为466.72m，是管线中的最大水锤压力，为该点初始恒定流压力385.36m的1.21倍；管线中的最小水锤压力为1.11m，无负压出现，安装的空气阀在停泵过程中未动作。

从图1(d)中可以看出，当管线中的水头低于空气罐内的水头时，空气罐向管道内补水；当管线中的水头高于空气罐内的水头时，管道内的水流向空气罐。空气罐内的初始水深为1.5m，最小水深为0.73m，最大水深为1.87m。

4.2 空气罐布置在岸边浮船旋转接头下游侧的水锤压力计算

为了进一步减小停泵时水锤波对浮船旋转接头的压力冲击，将空气罐布置在岸上固定管道的起点后。初拟空气罐尺寸与4.1节相同，将补水管直径调整为0.3m。经模拟计算，该方案下4泵运行，全部同时停泵的事故停泵水锤计算结果详见表2，其沿线压力包络线、泵出口阀后点和空气罐安装点压力的变化过程如图2所示

从图2中可见，水泵出口阀后点的最大水锤压力为424.30m，是管线中的最大水锤压力，为该点初始恒定流压力385.36m的1.10倍；空气罐安装点的最大水锤压力为392.41m，为该点初始恒定流压力353.91m的1.11倍；管线中的最小水锤压力为-0.36m。

表2 调整空气罐位置后的事故停泵水锤计算结果 单位：m

图2 事故停泵水力过渡过程计算结果(4台运行全部停，岸边空气罐，关阀，最高净扬程)

4.3 增加中间止回阀后的管道水锤模拟计算

为尽可能减小停泵水锤波对船体及其设备造成冲击，在岸边空气罐与旋转接头之间安装缓闭止回阀，口径与主管直径相同(DN1000)。首先对中间止回阀的关闭规律进行计算分析，再以该关闭规律为前提对空气罐设置的必要性进行分析。

4.3.1中间止回阀关闭规律确定

经过模拟计算，该方案在最高净扬程下，4泵运行，全部同时停泵、中间止回阀不同关闭规律的事故停泵水锤计算结果见3。从表3可知：

(1)与无中间阀相比，中间止回阀关闭的速度越快，水泵出口阀点的最大水锤压力越小；当中间止回阀的关闭速度为15s线性关闭时，水泵出口阀后点的最大、最小水锤压力与无中间阀的情况基本相同。说明中间阀的关闭可阻止水倒流后产生的正压波向泵船传播。

(2)中间阀关闭速度越快，其上游的最小水锤压力越小。说明水开始倒流后，中间阀不合理的快速关闭会导致其上游点(泵船侧)出现较大的压力下降，甚至出现汽化压力。

(3)由于空气罐的稳压作用，中间阀的关闭速度对中间阀下游(出水池侧)点水锤压力的影响很小。

(4)根据计算结果，建议中间止回阀采用2阶段关闭：快关3s-80%(3秒关闭阀门开度的80%)，慢关12s-20%(12秒关闭阀门开度剩余的20%)。

4.3.2空气罐设置的必要性分析

设置中间止回阀后，采用快关3s-80%，慢关12s-20%的2阶段关闭规律后，对有无空气罐时的水锤压力进行计算对比。经计算，在最高净扬程下，4泵运行，全部同时停泵、有无空气罐条件下的事故停泵水锤计算结果对比详见表4。

从表4可知，仅仅设置中间止回阀不能消除管线中的水柱分离，水泵出口仍有较大的水锤压力，且压力波动的幅度较大。因此，空气罐的设置是必要的。

4.3.3不同净扬程下的水锤压力结果

根据以上计算分析，以设空气罐、中间止回阀的防护方案为前提，采用上述关闭规律、计算4台泵停泵时不同净扬程下的事故停泵水锤压力，计算结果见表5，其沿线压力包络线、泵出口阀后点、中间阀上游点(泵船侧)、中间阀下游点(出水池侧)的压力变化过程如图3中的(a)(b)。

表3 中间止回阀不同关闭规律的事故停泵水锤计算结果 单位：m

表4 有无空气阀的事故停泵水锤计算结果对比 单位：m

图3 事故停泵水力过渡过程计算结果(4台运行全部停，岸边空气罐，中间阀，最高净扬程)

表5 不同净扬程下的事故停泵水锤计算结果 单位：m

从图3中可知，水泵出口阀后点的最大水锤压力为393.25m，为该点初始恒定流压力385.36m的1.02倍；中间阀下游点(出水池侧)的最大水锤压力为391.97m，为该点初始恒定流压力353.91m的1.11倍；管线中的最小水锤压力为-0.18m。

5 结语

经过对本工程的计算对比分析可知，对于高压力大型浮船泵站，水锤防护措施采用“泵后止回阀+岸边空气罐+中间止回阀”方案，防护效果较好。空气罐设置在岸边旋转接头后可在一定程度上降低泵后的最大水锤压力。浮船岸边旋转接头后设置中间止回阀不能取代空气罐的水锤防护功能，但可以一定程度阻止水倒流后产生的正压波向泵船传播，泵出口的水锤压力有所降低，且泵船与中间止回阀之间管段的压力波动持续时间大大缩短，有利于泵船的稳定。

本次研究是基于初步设计的理论研究，施工前应根据最终的工程布置、设备参数等进行复核计算，确保工程建设的准确性。