泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

陳柳杰 徐義樺 周宇翔

作者簡(jiǎn)介：陳柳杰（1987—），男，大專，工程師，研究方向?yàn)樗こ淘O(shè)計(jì)。

摘要：在泵站工程中，水錘事故往往是由于規(guī)劃設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不合理造成的，引起水泵出口管線和閥門損壞，乃至造成泵房進(jìn)水和供水中斷，產(chǎn)生重大損失，甚至出現(xiàn)因?yàn)楹ε乱鹚N事故而沖動(dòng)采取水錘防護(hù)措施，不但形成工程材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生相反的效果。所以，怎樣選取科學(xué)的防護(hù)措施，將最大升壓和降壓掌控在最小范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、安全、靠譜的泵站防護(hù)措施，是泵站設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵性工作。降低與避免水錘問(wèn)題的產(chǎn)生，需關(guān)注以下幾方面的內(nèi)容。本文詳細(xì)總結(jié)了引水泵站的定義，結(jié)合實(shí)際案例梳理了泵站設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題、經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)針對(duì)這些問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：泵站規(guī)劃? 設(shè)計(jì)方法? 注意問(wèn)題? 解決方案

如今泵站項(xiàng)目因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)劃不合理、操作管理不當(dāng)，極易引發(fā)水錘事故，從而致使水泵出水管道、閥門遭受破壞，嚴(yán)重的話還會(huì)使得泵房被淹沒(méi)、無(wú)法正常供水，引發(fā)重大的經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，如何制定出最為合理的防護(hù)措施，將升壓、降壓的最大值控制在誤差允許范圍內(nèi)，確保設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性、科學(xué)性，是當(dāng)前泵站工作的重中之重。為有效控制水錘問(wèn)題，必須關(guān)注以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

1 引水泵站

1.1 水泵的選擇

水泵站應(yīng)結(jié)合泵站的作用與性能選取適宜的水泵，不同的水泵所具備的流量、揚(yáng)程、變化規(guī)律都存在差異。

（1）一級(jí)泵站，又名取水泵站，主要安設(shè)于地面水源中，主要包含吸水井、泵房、閘閥井等內(nèi)容[1]。一般情況下，取水泵站具備如下性能：首先，由于泵站埋深較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了避免破壞周圍環(huán)境，通常被安設(shè)在郊區(qū);其次，泵站直接從天然水體中取水，整體水質(zhì)較好，但其中仍然包含一些污染物、泥砂等有害物質(zhì);再次，取水口的水位并不固定，往往會(huì)隨著季節(jié)的推移而變動(dòng)，因此泵站的水位變化顯著，但出水口水位的變化卻不明顯;最后，泵站的流量取決于水廠的工作效率，其揚(yáng)程會(huì)受到洪水期、枯水期的影響產(chǎn)生巨大差別。

（2）二級(jí)泵站，又名送水泵站，主要安設(shè)在水廠中，用于抽送處理完成的水。該泵站具備如下特征：首先，考慮到送水泵站的供水狀況會(huì)隨著居民用水狀況的變動(dòng)而出現(xiàn)變化，因此送水泵站的流量、揚(yáng)程也是實(shí)時(shí)波動(dòng)的;其次，送水泵站大多埋設(shè)在地面或?qū)儆诎氲叵率?，施工、管理難度低;最后，水泵站輸送的水質(zhì)更好。不同于其他水泵站，送水泵站不僅需要同時(shí)滿足流量、水壓的要求，還能夠兼顧用水量的變化，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇大小適宜，具備變頻供水功能的設(shè)備。

（3）加壓泵站。若城市引水管網(wǎng)覆蓋周密、輸配水管線長(zhǎng)度較大、城市內(nèi)部地勢(shì)起伏顯著，為了有效地控制經(jīng)濟(jì)成本，即可在城市管網(wǎng)中增設(shè)加壓泵站[2]。加壓泵站具備如下特征：首先，泵站埋深淺，絕大多數(shù)的加壓泵站都直接安設(shè)在地面;其次，加壓泵站輸送的水質(zhì)較好;最后，能夠有效維系流量、水壓的穩(wěn)定?；诖?，設(shè)計(jì)者在選擇加壓泵站時(shí)應(yīng)盡可能選用相同型號(hào)的設(shè)備，這樣做的目的是因?yàn)橄嗤吞?hào)的設(shè)備不僅能夠更好地維系流量、水壓等參數(shù)的穩(wěn)定，同時(shí)還在很大程度上降低管理難度，一旦設(shè)計(jì)者選擇的水泵型號(hào)過(guò)多，則將大大提升管理難度，提高管理人員的工作量。

1.2 水錘的計(jì)算與防護(hù)

水錘對(duì)泵站的危害極為致命，所以對(duì)于水泵站來(lái)說(shuō)，嚴(yán)格按要求對(duì)水錘進(jìn)行防護(hù)至關(guān)重要。水泵站常使用的水錘主要包含直接水錘、間接水錘2種。前者主要是指關(guān)閉閥門的時(shí)間t在tZ（tZ=2L/C）以內(nèi)，也就是說(shuō)，最先發(fā)生的水擊波反射至閥門之前，閥門能夠完全關(guān)閉，此時(shí)水錘的計(jì)算公式為ΔP=ρCV0（1）;后者主要表示，關(guān)閉閥門的時(shí)間t超出了tZ（tZ=2L/C），也就是說(shuō)，在最早一批的水擊波反射到閥門時(shí)，閥門還沒(méi)有全部關(guān)閉，此時(shí)通過(guò)理論力學(xué)動(dòng)量定律即可計(jì)算出水錘，此時(shí)計(jì)算公式為ΔP=ρCV0tZ/t（2）。

上式（1）、式（2）中。C表示水擊波傳播速度：

其中，C0表示聲音在水中的傳播速度，具體數(shù)值為1440m/s;E0表示水的彈性模量;E表示管壁彈性模量;d表示管道直徑;δ表示管壁厚度。

經(jīng)計(jì)算，若是ΔP的結(jié)果超出了1.5倍的管道工作壓力，此時(shí)必須立即啟動(dòng)水錘防護(hù)措施，有效控制水錘[3]。管理人員可以通過(guò)如下方法進(jìn)行處理：（1）控制管中水流的速度;（2）適當(dāng)延長(zhǎng)閥門的關(guān)閉時(shí)間，可以根據(jù)實(shí)際需求在管路上添加多功能水泵控制閥，令其充當(dāng)單向閥、閘閥、水錘消除器等多個(gè)設(shè)備的作用;（3）必要時(shí)還可以在壓水管路上安設(shè)空氣室、調(diào)節(jié)塔等設(shè)備，以達(dá)到保護(hù)水錘的效果，如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)中的注意問(wèn)題

2.1 合理布置管線

設(shè)計(jì)者在布置管線的時(shí)候，應(yīng)盡量確保管道縱斷面的平滑，不可出現(xiàn)明顯的凸部起伏，通常管道縱斷面呈先緩后陡的形式，如果從出口處開(kāi)始呈先陡后緩，極有可能在停泵的時(shí)候壓力下降，致使管道凸部拐點(diǎn)位置明顯降壓，且若是壓力值低于水的汽化壓力，隨著時(shí)間的推移，還有可能會(huì)出現(xiàn)“水柱分離”的問(wèn)題。但若是設(shè)計(jì)者將管線布置調(diào)整成先緩后陡，就能夠有效避免上述問(wèn)題的發(fā)生。然而，考慮到管道縱剖面往往取決于地形地勢(shì)的走向，并不是任何項(xiàng)目都能夠根據(jù)設(shè)想修改管線的布置。

若所需要增加的挖方量有效，此時(shí)可以充分考慮經(jīng)濟(jì)效益，選擇最適宜的站址[4]。但若是管道內(nèi)必然會(huì)出現(xiàn)凸起，此時(shí)則需要根據(jù)計(jì)算，判斷其是否會(huì)出現(xiàn)水柱分離等問(wèn)題。其中，L1與L2均表示出水管凸部前后兩端管道的長(zhǎng)度;而H1和H2則表示凸部與水池水面的高度差;Ha表示實(shí)際工作揚(yáng)程大小;L表示管道長(zhǎng)度。通過(guò)計(jì)算，只要結(jié)果符合k1/b1<l，就表明不會(huì)出現(xiàn)水柱分離的問(wèn)題。

2.2 降低管中流速

隨著管中流速的下降，水流的慣性也將得到相應(yīng)的檢索，管道特性常數(shù)2p=aV0/gH0隨之減小，進(jìn)而有效控制了水錘的升降壓。然而，若是項(xiàng)目單位適當(dāng)增大管徑，同樣也會(huì)使得施工成本提升，因此，為了有效控制成本，施工人員應(yīng)綜合考慮管道摩阻損失以及經(jīng)濟(jì)成本，設(shè)計(jì)出最適宜的管徑大小。此外，出于防護(hù)水錘的目的，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)綜合考量。

2.3 降低水錘波傳播速度

隨著水錘波傳播速度的下降，管道特性常數(shù)2p=aV0/gH0的數(shù)值也會(huì)同步下降。此時(shí)，水錘往返耗時(shí)將明顯增大，能在一定程度上控制水錘的壓力變動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)管道的時(shí)候，應(yīng)盡可能選擇水錘波傳播速度稍弱的管道，即選擇管壁厚度較薄的管道。

2.4 合理選擇閥門形式

項(xiàng)目選擇的閥門形式的不同，將會(huì)導(dǎo)致其在開(kāi)度情況下出現(xiàn)的損失系統(tǒng)存在差異。若保持關(guān)閥條件不變，全閉點(diǎn)周邊變化均勻的閥門壓力值上升都不明顯[5]。普通的逆止閥在關(guān)閥時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)明顯升壓。與此同時(shí)，對(duì)于大流量、高揚(yáng)程、長(zhǎng)管道的泵站系統(tǒng)來(lái)講，為了有效地避免出現(xiàn)水流倒泄、水泵機(jī)組反轉(zhuǎn)、水錘明顯升壓等問(wèn)題，設(shè)計(jì)者可以將普通逆止閥替換成兩階段關(guān)閉的可控閥或緩閉式逆止閥。在保證關(guān)閥條件不變的情況下，加快關(guān)閉閘閥的速度同樣會(huì)使得壓力值上升;若設(shè)計(jì)者選擇了針閥，雖然能夠較好地維持水力特性，但其全閉點(diǎn)周邊的阻力同樣胡急速消失;此外，若設(shè)計(jì)者選擇了閘閥、蝶閥、球閥及止同閥等閥門，這些閥門能夠很好地控制關(guān)閥點(diǎn)周邊阻力損失的變化，控制流速變化率，進(jìn)而能夠起到控制水錘壓力的效果。然而，無(wú)論選擇哪種閥門，其關(guān)閉時(shí)間都取決于水泵運(yùn)行狀況、閥門驅(qū)動(dòng)狀況，應(yīng)綜合考慮所有因素做出最正確的決定。

2.5逆止閥問(wèn)題

在泵站中安設(shè)逆止閥是為了有效避免管道內(nèi)部出現(xiàn)水流倒泄、機(jī)組倒轉(zhuǎn)等問(wèn)題。對(duì)于包含多個(gè)水泵的管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，安設(shè)逆止閥能夠幫助水泵之間靈活切換，無(wú)需中途停機(jī)，且操作方便、難度極低。然而，分析泵站運(yùn)行狀況可以發(fā)現(xiàn)，很大一部分的水錘問(wèn)題都是因同逆止閥而產(chǎn)生的，還有一部分也可能是因逆止閥產(chǎn)生的[6]。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須參照泵站實(shí)際需求，科學(xué)分布所有的逆止閥。（1）根據(jù)對(duì)水錘壓力的計(jì)算，只要管道的最大水錘升壓與水泵機(jī)組的最大倒轉(zhuǎn)速度一直維持在規(guī)定數(shù)值內(nèi)，就不需要借助逆止閥令機(jī)組倒轉(zhuǎn)泄水。尤其是在單泵單管道且水泵揚(yáng)程控制在40m以內(nèi)的泵站中，這一規(guī)律更為適用。實(shí)踐顯示，只要設(shè)備處于正常運(yùn)作狀態(tài)下，該方法能夠有效減少損失，停泵時(shí)也能有效控制水錘的升壓。（2）拆卸所有的普通逆止閥，如圖2所示，轉(zhuǎn)而使用急閉式或緩閉式逆止閥。相較于普通逆止閥，快關(guān)逆止閥能夠在動(dòng)力中斷事故發(fā)生時(shí)，第一時(shí)間關(guān)閉系統(tǒng)，避免出現(xiàn)倒流;而緩閉式逆止閥則能夠在即將全閉階段緩慢關(guān)閉系統(tǒng)，有效防止水錘急速升壓。（3）設(shè)計(jì)者可在逆止閥前安設(shè)空氣管、調(diào)壓塔，以此有效控制水錘升壓，這些設(shè)置也能在一定程度上起到保護(hù)水錘的效果。

3 管道設(shè)計(jì)中的其他水錘問(wèn)題

（1）泵站管道所具備的強(qiáng)度與穩(wěn)定性都必須滿足水壓力與設(shè)計(jì)外荷載的需求。水壓力主要包含工作壓力與水錘壓力，而后者則包含土壓力與附加荷載。若項(xiàng)目勘測(cè)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部存在水柱分離的可能，此時(shí)應(yīng)額外考慮大氣壓力所施加的外部荷載[7]。由于水錘壓力是典型的瞬時(shí)荷載，因此管道強(qiáng)度至少需要超出正常工作的壓力，測(cè)試壓力同樣應(yīng)大于等于正常工作壓力與水錘壓力的總和。

（2）考慮到管道直徑可能會(huì)在中途出現(xiàn)改變，因此施工人員在選擇管道的時(shí)候必須保證下游的管道流速不超過(guò)上游管道流速，從而防止關(guān)閥、停泵時(shí)，管道連接部位出現(xiàn)負(fù)壓或水柱分離等問(wèn)題。

（3）對(duì)于長(zhǎng)管道輸送系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，施工人員應(yīng)借助調(diào)壓塔或單向調(diào)壓水箱將整個(gè)系統(tǒng)分為多個(gè)部分，以分擔(dān)管中壓力，維持壓力值的穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

要想設(shè)計(jì)出最佳的泵站應(yīng)充分考慮所有因素的影響，盡可能地滿足用戶需求，嚴(yán)格把控停機(jī)次數(shù)，做到高效供水，科學(xué)分布泵站的布局結(jié)構(gòu)，挑選更具質(zhì)量保證的設(shè)施，以此打造出可靠性能更強(qiáng)的泵站。

參考文獻(xiàn)

[1]金忱泓.試析市政給排水泵站的運(yùn)行與管理問(wèn)題[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（18）：205-207.

[2]任凱.抽水站水泵技術(shù)改造與應(yīng)用[J].山西水土保持科技，2021（1）：42-46.

[3]王金榮.淺談水利泵站工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及其施工管理[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（36）：2711.

[4]施璇.城市排水泵站水泵群的調(diào)度優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2021.

[5]翟彤.車用電子水泵綜合測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2020.

[6]王興.凝水泵非定?？栈匦匝芯縖D].成都：西華大學(xué)，2020.

[7]夏欣欣.消防水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2019.