高揚程泵站事故停泵水錘復核計算

任寶紅

（延安南溝門水利樞紐工程有限責任公司，陜西 延安 716000）

0 前言

近年來我國的水利事業(yè)得到了長足的發(fā)展，工業(yè)及生活用水與供水不足之間的矛盾也成為制約經(jīng)濟發(fā)展及限制人民生活水準的主要因素。為了解決這一矛盾，很大一批供水工程尤其是長距離調水工程逐步上馬，其中有很多涉及多級泵站提水工程。高揚程泵站在運行過程中遇到突然失電的情況下，管道中水瞬間倒流，泵站控制系統(tǒng)會關閉工作閥，在關閥過程中倒流的水遇阻產(chǎn)生水錘對管道及機組產(chǎn)生一定程度的破壞，合理的水錘防護方案對確保泵站安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

南溝門水庫北線供水工程為陜北黃土高原地區(qū)泵站提水工程，二級泵站華能電廠方向設計揚程300 m，為減少泵站設置，采用多級離心泵高揚程供水，在水錘防護方面采取了兩階段關閉、壓力罐、水擊泄放閥、線路空氣閥組合式的水錘防護方案，確保泵站運行過程中突然失電后能正常關機，防止水擊破壞。本文以南溝門水庫北線供水工程二級泵站華能電廠方向水錘防護方案為例，依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和水錘防護標準對組合式水錘防護方案的合理性進行復核。

1 系統(tǒng)參數(shù)

1.1 進出水池參數(shù)設定

起點：二級站進水池；終點：二級站末端出水池；進水池設計水位847.38 m；出水池設計水位1108.5 m（原設計水位1130 m，末端出水池未建成，實際水位1108.5 m）；設計凈揚程282.62 m（現(xiàn)有條件實際凈揚程：261.12 m）[1]。

1.2 泵站內(nèi)參數(shù)設定

二級站華能電廠方向設計安裝3臺臥式離心泵（2用1備），性能參數(shù)表1。

表1 水泵參數(shù)表

水泵額定轉速nr=2980 r/min；水泵額定流量Qr=0.12 m3/s；水泵額定揚程Hr=299.8 m；水泵額定效率ηr＝80.9%；水泵額定功率=435 kW；配套電機YXVF4506-2，額定功率 ND=560 kW；機組轉動慣量 J=29.8 kg·m2；水泵比轉數(shù)：

表2 水泵吸水支管、出水支管參數(shù)表

水錘波速計算公式：

1.2.1 輸水管路參數(shù)設定

表3 輸水母管參數(shù)表

圖1 輸水母管縱向布置圖（左線）

圖2 輸水母管縱向布置圖（右線）

1.2.2 水頭損失計算

總水頭損失=沿程水頭損失+局部水頭損失，即h總=h沿+h局，沿程水頭損失采用下列曼寧公式進行計算，局部水頭損失取沿程水頭損失的15%，即h總=1.15h沿[2]。

h沿=（鋼管的糙率n=0.0015、球墨鑄鐵管的糙率n=0.012）

1.3 穩(wěn)態(tài)運行工況

兩臺水泵并聯(lián)運行，采用雙管供水，泵后閥全開，得到穩(wěn)態(tài)的運行工況見圖3。

圖3 雙泵雙管運行穩(wěn)態(tài)工況圖

2 水錘防護遵循的標準規(guī)范

依據(jù)《泵站設計規(guī)范GB50265-2010》，當事故停泵采取防護措施或方案后，瞬態(tài)特性參數(shù)應滿足下列條款的規(guī)定[4]：

1）離心泵最高反轉速度不超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續(xù)時間不超過2 min。

2）最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3倍～1.5倍。

為保證工程的安全運行，取系統(tǒng)最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3倍。

3）輸水系統(tǒng)任何部位不應出現(xiàn)水柱斷裂。

依據(jù)《泵站設計規(guī)范GB50265-2010》，計算中取負壓的防護準則為：水體在最高水溫下不汽化。當?shù)睾芨叱倘≥斔芫€最高點的海拔高程，即海拔高程為1108.5 m，則大氣壓頭=8.89 m；當?shù)刈罡咚疁厝?0℃，則水的飽和汽化壓頭=0.43 m；輸水管道直徑D=0.40 m。為防止管道內(nèi)的水體汽化，取安全余量H余=2 m。則對于本工程管道中心線的壓力取值為：

3 防護方案下事故停泵水錘復核

3.1 水錘防護方案

南溝門北線供水工程二級站華能電廠方向最終采用液控兩階段關閉偏心半球閥+防水錘壓力罐+水擊泄放閥的組合水錘防護方案。

3.2 水錘防護方案復核計算及各防護設備的工作狀態(tài)

計算采用美國hammer軟件進行計算，計算結果如下[3]：

兩泵并聯(lián)運行時，水泵出現(xiàn)事故停機。

左線最大壓力293.6 m，發(fā)生于樁號0+000處；相對于此處的正常工作壓力，最大壓力倍數(shù)1.05；最小壓力-0.35 m，發(fā)生于樁號4+431處；

右線最大壓力293.61 m，發(fā)生于樁號0+000處；相對于此處的正常工作壓力，最大壓力倍數(shù)1.05；最小壓力-0.41 m，發(fā)生于樁號4+456處。

事故停泵后，管道內(nèi)壓力先急劇下降，隨后回升，再波動后最終穩(wěn)定于出水池水位。閥門完全關閉后，管道內(nèi)產(chǎn)生的水力波動不大。

事故停泵后后，水泵流量逐漸減小，轉速下降，揚程逐漸降低。隨著閥門逐漸關閉，倒流流量趨向于零，最終水泵揚程、機組倒轉也逐漸趨于零。

水泵處的水流在停泵后3.2 s開始倒流，最大倒流流量-0.06 m3/s，由于關閥時間較快，水泵并沒有發(fā)生倒轉。因壓力罐的作用，雖然關閥時間較快，并沒有引起較大的壓力升高。

泵后液控閥在停泵后2 s快關至90%行程，余下的10%行程采用10 s關完；閥出口的壓力先降低后回升，經(jīng)波動后逐漸趨于穩(wěn)定，最大壓力293.66 m，升壓比1.05倍；閥門處的水流在停泵后3.2 s開始倒流，最大倒流流量0.06 m3/s，隨著閥門的逐漸關閉，流量最終趨于零。

事故停泵后，壓力罐處的壓力降低，罐內(nèi)空氣迅速膨脹，罐內(nèi)的水在空氣壓力作用下迅速向主管補水，罐內(nèi)水體積及水深逐步減小。當水錘波反射傳回，管道中的壓力上升，高壓水流入壓力罐中，罐內(nèi)空氣被壓縮，罐內(nèi)水體積及水深逐步增大；罐內(nèi)初始水體積6.68 m3，最大水體積7.02 m3，最小水體積5.01 m3，最大水深1.85 m，最小水深1.32 m。

事故停泵后，壓力罐處的壓力及罐內(nèi)空氣壓力先降低后回升，經(jīng)波動后最終穩(wěn)定于出水池水位；壓力罐處的最大壓力293.63 m，罐內(nèi)最大空氣壓力304.62 m；

事故停泵后，壓力罐的水先向管道補水，高壓波返回時，管道中的水又會流入壓力罐中，經(jīng)波動后最終趨于穩(wěn)定；在停泵后7.7 s，壓力罐向管道補水流量達到了最大，最大出水流量0.159 m3/s；在停泵后34.3 s，管道中的水流入壓力罐中的流量達到了最大，最大進水流量0.096 m3/s。

經(jīng)過計算，南溝門水庫北線供水工程二級泵站華能電廠方向水錘防護方案經(jīng)計算復核規(guī)范要求。

4 結語

經(jīng)復核，南溝門水庫北線供水工程二級泵站華能電廠方向水錘防護方案經(jīng)計算復核規(guī)范要求。泵站安全運行需要能應對各種工況的運行要求，事故停泵后的水錘是會對泵站造成毀滅性的破壞的一種最不利工況，設計人員在水錘防護計算、方案必選及設備選型方面要經(jīng)過多重復核，工程管理人員在工程建設過程中也要嚴格按照設計進行設備采購、現(xiàn)場安裝，同時要考慮現(xiàn)場大的施工變更對水錘計算造成的參數(shù)變化。在泵站的運行過程中，有條件的情況下必要對水錘防護的可靠性進行必要的驗證，同時要定期觀測防護設備的工作穩(wěn)定性。