高扬程大型浮船取水泵站水锤防护措施探讨

李玲玲，张 迪，张 波，顾世祥

（云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

0 引 言

近几年随着水利行业的发展，云南省因其独特的山高水低的地理特征，规划了大批从天然河流或已建水库取水的提水泵站。这些工程普遍存在取水水源水位变幅大及取水条件受限的显著特点，浮船泵站属于移动式取水泵站，能适应水位变化和涨落频率变化，适用于河流和水库边取水［1］，故密集出现了大量浮船取水泵站。浮船泵房施工简单，仅在岸边修建锚墩和悬臂支墩连接、固定浮船即可，土建施工少，对地质地形破坏小等［2］。国内学者对浮船泵站及附属设施在实际工程中的应用已有较多论述［3-7］，其关注点集中在浮船泵站的结构设计、设备选型、建筑物选择等方面，而针对浮船泵站水锤防护的相关内容却很少提及。仅有袁芳［8］等针对高压力大型浮船泵站进行了空气罐不同布置位置和增加中间止回阀的水锤防护措施的研究，得到对于所研究工程较好的水锤防护措施：泵后止回阀+岸边空气罐+中间止回阀。但是该联合防护措施中的“中间止回阀”由于布置于空气罐下游，阻断了空气罐对中间止回阀后管路的防护。下面以云南某陡峭地形高扬程大型取水浮船泵站为例，通过数值模拟计算，分析空气罐和注微排气阀对浮船泵站水锤防护的影响，进而给出类似工况下浮船泵站的有效水锤防护模式。

1 工程概况

某梯级泵站工程供水系统图如图1所示，工程取水位置在云南省某大型水电站库区内，设计流量1.5 m3/s，水库正常水位602.0 m，死水位591.0 m，水位变幅11.0 m。一级泵站采用浮船泵站，设置4台工作泵，总装机4 480 kW（4×1 120 kW），水泵采用1对2变频调速运行方式，设计扬程为184.4 m，主泵房采用下承式布置，浮船泵站出水管以摇臂接头的方式与岸上连接，设置1条管径为DN1000的摇臂，浮船及泵组主要参数见表1、2，属高扬程大型浮船泵站。

表1 浮船主要参数 mTab.1 Main parameters of floating ship

表2 泵组主要参数Tab.2 Main parameters of pump group

图1 供水系统图Fig.1 Water supply system diagram

泵站引水系统由进水管、水泵、出水支管、出水均压管及出水总管、出水池等组成。水泵进水为单管单机布置，出口压力钢管为单管四机布置方式。进水支管长度约为5 m，管径0.60 m；出口支管长度约为5 m，管径DN450，出水总管管径为DN1000，沿陡峭地形布置接入出水池（二级站进水池），总长约485 m。水泵出口止回阀流量系数Kv值约11 800 m3/h。

2 水力过渡过程计算

2.1 过渡过程计算目标控制值

根据《泵站设计规范》（GB/T50265-2010）的要求，并结合本泵站的特点，按照“确保安全、留有适当裕度”的原则，浮船泵站水力过渡过程计算控制值初步确定为：

（1）在不同运行水位和各种运行工况组合下，当水泵电动机组在最不利组合工况下的断电事故，计算水泵电动机最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍。

（2）在不同运行水位和各种运行工况组合下，系统计算最高压力不应超过水泵出口最大静压的1.5倍。

为解决后段负压，在管线400 m之后设置2台DN150-3.2注汽微排阀，延时0.02 s（较理想）进行负压防护。通过对泵后止回阀两阶段关闭和随水流速闭共4个方案进行计算，具体关阀规律如表3所示，计算结果见表4。图4和图5所示为水泵出口止回阀处压力及水泵流量变化曲线。

2.2 瞬变流无保护工况

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对于管线升压和震荡问题，一般可依靠水击泄放阀来解决。水击泄放阀是一种隔膜式水力操作的阀门，可通过高低压导阀实现在管线压力高时泄压，压力低时自动关闭。但其对管线后段负压几乎不起作用。且其设置在泵站出口处（即在浮船上），其泄放的能量实际是从管线震荡转移到了对浮船的反推力，故对浮船的稳定性可能受到一定影响；空气罐是密闭的高压容器，对于输水系统而言，其上部为高压气体，下部为水体，底部通过连通管与主管道相连，利用罐体壁面与水面所形成的封闭气室，依靠气体的压缩和膨胀特性，来反射水锤波，抑制水位波动，保证输水系统的安全稳定运行。当泵后出现压力升高时，罐内的气体将会进一步压缩，管中的水体流入罐中，从而有效地防止管路中的压力过高［9，10］。国内对空气罐的研究已经趋于完备，在实际应用中也已经非常成熟［11］，故下一步对设置空气罐进行试算。

图2 水库低水位无防护下管线压力包络线Fig.2 Pressure envelope of pipeline without protection at low water level of reservoir

图3 水库低水位无防护下相对值Fig.3 Relative value of pumping station without protection at low water level of reservoir

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由计算结果可知，设计工况下当系统不设置防护措施，水泵发生抽水断电事故且泵后阀门拒动时，管段最大压力虽未超过最大内水压力的承压标准，但水泵反转速超过1.2倍额定转速，管道后段存在较大负压，如不设置水锤防护措施，将危害系统安全。故本系统水锤防护应着重于管线后段负压和水泵倒转问题。

当进水池水位最低、出水池水位最高、输水流量最大时，水泵所需扬程最大，此时水泵抽水断电产生的危害也最大。故对此工况进行4台水泵无防护抽水断电下的过渡过程计算，以便于分析本系统瞬态水锤特点。其具体设计工况描述如下：

在系统无水锤防护措施下，泵组发生抽水断电事故且泵后阀门拒动时，水泵流量急剧减小，泵后压力迅速降低。第一相内水泵出口压力水头最大降幅为121.4 m，该降压波沿输水管道向下游传播。水泵在掉电后最大倒流流量为0.43 m3/s，为设计流量的1.15倍，最大倒转转速约为2 224 r/min，为额定转速的1.49倍。由于泵站输水线路长485 m，水锤波速约1 000 m/s，故在事故停泵后约0.97 s（一个相长）反射的升压波传至泵后，使泵后压力上升。由图2可知，水泵抽水断电后，由于降压波的传播使得管线后段约离泵站400 m以后的管道压力降至汽化压力以下。管道沿线压力水头最大值为231.8 m，位于泵站处，发生在第一个反射升压波，沿线压力水头理论最小值为-9.21 m，位于离泵站约467 m处。

2.3 瞬变流有保护工况

浮船泵站在运行过程中其输水管线是随水位变化的，因此，水锤防护措施先按水库最低水位进行设置，并在正常水位下进行验证。

（3）在不同运行水位和各种运行工况组合下，引水系统沿线管顶计算最小压力水头大于-2 m。

表3 止回阀关闭规律Tab.3 The closing law of check valve

表4 止回阀不同关闭规律计算结果Tab.4 Calculation results of different closing laws of check valve

图4 水泵出口相对压力变化曲线对比Fig.4 Comparison of relative pressure curves at pump outlet

图5 相对流量变化曲线对比Fig.5 Comparison of relative flow change curves

从表4可知，不管如何调整水泵出口止回阀关闭规律，仅设置注微排气阀防护下管线后段负压均无明显改善。哪怕是第一阶段随水流关闭至5%开度，水泵倒转转速都达到了额定转速的1.2倍。随着止回阀第一阶段关闭的开度减小，管线正压水头有所减小，管线震荡幅度也有所减小（见图4），虽有减小趋势，但在100 s时仍达35 m左右。随水流速闭时震荡值最大，且几种关闭规律下衰减均较慢。可见，若要解决水泵倒转问题，事故停泵后应尽快关闭止回阀，而快速止回阀带来的管线升压、震荡问题以及后段负压，还需进一步采取措施来解决。

发射部分中，信号模拟器根据来自控制主机的参数，精确生成包含多普勒信息的微波信号，中心频率为1.772 GHz，频率可变范围是1.75～1.8 GHz。在马赫曾德电光强度调制器（MZM）中，使用生成的微波信号对1 550 nm激光进行强度调制，调制后的激光经光衰减器传输至接收部分，其中光衰减器模拟了光在空间传播中的衰减。

水库处于最低运行水位591.0 m，出水池处于正常水位770.4 m运行，泵站输水系统总流量1.519 m3/s，该工况下水泵扬程为180.0 m，水泵均处于工频运行。四台水泵同时掉电，泵后止回阀拒动。计算结果见图2、3。定义相对转速=实际转速/额定转速，相对压力=实际压力/最大静压，相对流量=实际流量/设计流量。

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根据工程特点，水锤防护措施主要从以下几个方面考虑：①浮船泵站上设置空气罐占用空间较大，且空气罐对基础要求较高，浮船上很难满足，设置难度较大，故将空气罐设置在岸上进行试算；②考虑浮船的稳定性，尽量控制水泵的倒转转速，水泵出口设置随水流速闭止回阀；③为了减小气罐容积进而减小投资，后段设置注微排气阀以减轻局部负压。水锤防护设备参数详见表5。计算结果见图6、图7。

表5 水锤防护设备参数Tab.5 Parameters of water hammer protection equipment

图6 联合防护下高低压包络线Fig.6 High and low pressure envelope under combined protection

图7 联合防护下水泵出口相对压力变化曲线Fig.7 Relative pressure curve of pump outlet under combined protection

由计算图可知，水库在低水位下，在速闭止回阀和岸上设空气罐以及管线后段设1台注微排气阀的联合防护下，可有效控制系统在事故停泵下最大水锤升压、管线末端低压、水泵倒转及管线震荡等问题，最大压力水头上升值194.6 m，升压约1.1倍，水泵无倒转。沿线压力水头最低值约-1.6 m。计算结果满足规范要求。

2.4 水库正常水位下水泵事故停机水力过渡过程计算的验证

水库处于正常水位602.0 m，出水池处于正常水位770.4 m运行，1、2号水泵工频运行，3、4号水泵转速约1 403.4 r/m（47.0 Hz），输水线路的输水流量为1.518 m3/s。在该工况下无负压出现，满足管线运行要求。在速闭止回阀和岸上空气罐以及管线后段设1台注微排气阀的联合防护下，4台水泵同时掉电。计算结果见图8～图11。

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图8 水客正常水位下高低压包络线Fig.8 High and low pressure envelope under normal reservoir water level

图9 水库正常水位下水泵出口相对压力变化曲线Fig.9 Relative pressure curve of pump outlet under normal reservoir water level

图10 水库正常水位下空气阀处压力变化曲线Fig.10 Pressure variation curve at air valve under normal reservoir water level

图11 水库正常水位下水泵相对转速变化曲线Fig.11 Variation curve of relative speed of pump under normal reservoir water level

经计算后压力水头上升值最大约200 m，为额定压力的1.14倍，水泵无倒转，沿线最低压力水头发生在管线后段空气阀处，从图10可知，该值历时很短，约-1.41 m。经验证，低水位下采取的水锤防护措施同样能够适用于水库高水位工况。

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3 结 论

与固定式泵站相比，浮船泵站输水管线随水位不断变化，其水力过渡过程计算稍显复杂，且瞬态工况下水泵倒转及输水管震荡问题对浮船的稳定性有较大影响，应受到更多的关注。实施过程中应及时结合泵组参数、管线实际敷设情况等对水锤防护方案在各水位下进行验证。通过对本工程水锤防护措施计算对比分析可知，对于管线前陡后缓的高扬程大流量浮船泵站，水锤防护措施采用“速闭止回阀+空气罐+注微排气阀”方案，防护效果较好。