巖南溝泵站事故停機(jī)水錘模擬分析與防護(hù)

（山西省東山供水工程建設(shè)管理局 山西太原030000）

1 泵站概況

巖南溝泵站為東山供水工程二期支線線路首端取水的第一級泵站，其主要任務(wù)是將二期水源的水加壓提至泵站出水池后，經(jīng)輸水管線自流至小寨二級泵站前池，設(shè)計(jì)年供水量5 483 萬m3。供水系統(tǒng)由DN1800 引水總管、DN600 進(jìn)水管、水泵機(jī)組、DN500出水管、DN1600 出水總管和出水池組成。泵站工程布置見圖1。

泵站運(yùn)行方式為：設(shè)計(jì)引水流量為1.25 m3/s 時，3 臺水泵組合運(yùn)行；設(shè)計(jì)引水流量為2.06 m3/s，5 臺水泵組合運(yùn)行；流量為1.25～2.06 m3/s 時，4 臺水泵組合運(yùn)行。

2 工程設(shè)計(jì)特性參數(shù)

1）水泵機(jī)組參數(shù)

泵站共配備7 臺單級雙吸DFSS400-6N/4A 型離心泵，5 工2 備，設(shè)計(jì)揚(yáng)程129.3 m，設(shè)計(jì)流量0.412 m3/s，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min，效率84%，功率800 kW，機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量40 kg·m2。

2）進(jìn)、出水水位

泵站進(jìn)水管與二期水源引水發(fā)電鋼管相連，水庫非汛期最高、最低取水位分別為852 m、840 m，汛期最高、最低取水位分別為848 m、840 m，出水池非汛期及汛期水位分別為965 m、962.5 m。

3）管線系統(tǒng)

圖1 巖南溝泵站工程布置圖

引水管線為DN1800 壓力鋼管，總長約928 m，水泵進(jìn)水管為DN600 壓力鋼管壁厚6 mm，出水管為DN500 壓力鋼管壁厚6 mm，出水總管為DN1600 壓力鋼管后接出水池，管線長約2 305 m。

4）泵出口閥門

水泵出口安裝DN500、PN2.5 MPa 重錘式液控止回蝶閥。其快、慢關(guān)可調(diào)參數(shù)見表1。

表1 重錘式液控止回蝶閥可調(diào)整參數(shù)表

3 初始恒定流工況校核

泵站初始恒定流工況計(jì)算的內(nèi)容包括各種穩(wěn)定運(yùn)行工況條件下的水泵工作點(diǎn)參數(shù)和沿管線水壓分布的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可作為進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算的初始條件[1，2]。

對泵站5 臺機(jī)組運(yùn)行的恒定流工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

5 臺泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，水泵揚(yáng)程115.49 m，流量0.46 m3/s，輸水管線流量2.3 m3/s。最大壓力出現(xiàn)在樁號1+951.48 處（此處為整個供水線路最低點(diǎn)），其值為180.97 m，整個系統(tǒng)中沒有出現(xiàn)負(fù)壓，可以正常運(yùn)行，見圖2。

4 事故停泵水錘及關(guān)閥水錘計(jì)算

以下選取最大流量時5 臺機(jī)組突然同時斷電作為最不利工況，分別進(jìn)行了停泵-不關(guān)閥-無防護(hù)措施（工況1）、停泵-關(guān)閥-快關(guān)70°-慢關(guān)20°（工況2）、停泵-關(guān)閥-快關(guān)62°-慢關(guān)28°（工況3）3 種事故停泵過渡過程計(jì)算。

1）停泵-不關(guān)閥-無防護(hù)措施

結(jié)合圖3、4 可以看出，最大壓力出現(xiàn)在樁號1+951.48 處為213.95 m，是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力的1.18 倍，無負(fù)壓出現(xiàn)；事故停泵發(fā)生4.3 s 后水泵開始倒流，事故停泵6.7 s 后水泵開始出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，最大倒流流量-0.43 m3/s，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-30 r/s，停泵后機(jī)組出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的倒轉(zhuǎn)和倒流現(xiàn)象，且倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍，不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

表2 初始恒定流計(jì)算結(jié)果

圖2 5 臺泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行管線壓力包絡(luò)線

圖3 工況1管線壓力包絡(luò)線

圖4 工況1流量、壓力和轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

2）工況2 停泵-關(guān)閥-快關(guān)70°-慢關(guān)20°

水泵出口閥采用0～3s 快關(guān)70°，3～30s 全部關(guān)閉的兩階段關(guān)閥，其計(jì)算結(jié)果如圖5、6。

由圖可知該工況下，系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在樁號1+951.48 處為203.65 m，是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力的1.13 倍，整個管線無負(fù)壓。水泵最大倒流流量-0.39 m3/s，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-26.54 r/s，為額定轉(zhuǎn)速的1.09 倍。該閥門關(guān)閉規(guī)律下，系統(tǒng)最大壓力、倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均滿足規(guī)范要求。

3）工況3 停泵-關(guān)閥-快關(guān)62°-慢關(guān)28°

圖5 工況2管線壓力包絡(luò)線

圖6 工況2流量、壓力和轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖7 工況3管線壓力包絡(luò)線

圖8 工況3流量、壓力和水泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

水泵出口閥采用0～3 s 快關(guān)62°，3～30 s 全部關(guān)閉的兩階段關(guān)閥規(guī)律，其計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8。結(jié)果顯示最大壓力出現(xiàn)在樁號1+951.4 處為210.65 m，最大壓力是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力的1.17 倍，整個管線無負(fù)壓出現(xiàn)。兩階段關(guān)閉泵出口閥后，水泵最大倒流流量-0.41 m3/s，最大倒轉(zhuǎn)速度為-26.65 r/s，為額定轉(zhuǎn)速的1.10 倍，該閥門關(guān)閉規(guī)律下，系統(tǒng)最大壓力、倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)最不利工況5 臺機(jī)組全部斷電停泵情況下3種工況的分析計(jì)算可知：

1）3 種工況下，管線最大壓力均出現(xiàn)在線路最低點(diǎn)1+951.48 處、均無負(fù)壓產(chǎn)生，且停泵后均產(chǎn)生了機(jī)組倒轉(zhuǎn)、倒流現(xiàn)象。

2）在斷電停泵不采取防護(hù)措施時，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的124%，不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3）采取兩階段關(guān)閥時，快關(guān)70°、慢關(guān)20°與快關(guān)62°、慢關(guān)28°兩種工況均可減小管道內(nèi)最大壓力及機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及倒流流量，使其符合《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4）經(jīng)優(yōu)化比選，建議選擇兩階段關(guān)閥0～3 s 快關(guān)70°、3～30 s 慢關(guān)20°作為泵站后期運(yùn)行中事故停泵的水錘防護(hù)措施。