大型泵站水錘防護(hù)措施選型研究

樊智軍

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

SJZ 泵站設(shè)計(jì)流量13 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為186 m，泵站內(nèi)共安裝6 臺(tái)水泵，單泵流量為3.25 m3/s，3 臺(tái)水泵（2 用1 備）并聯(lián)在一根管路上，泵后止回閥采用DN1 200 mm、PN4.0 MPa 軸流式止回閥。泵后揚(yáng)水管道長(zhǎng)度11.16 km，雙管并行布置，均為DN2 400 mm涂塑鋼管，泵站出水池容積為2 600 m3。

2 邊界條件確定及問(wèn)題的提出

按照本泵站的布置形式，在無(wú)任何防護(hù)措施下，通過(guò)計(jì)算分析，停泵水錘現(xiàn)象發(fā)生最嚴(yán)重的工況為一條管道上兩臺(tái)水泵同時(shí)事故停機(jī)時(shí)，管道瞬時(shí)高壓、管頂最小壓力以及水泵倒轉(zhuǎn)情況均超出相關(guān)規(guī)范要求，因此采用何種水錘防護(hù)措施是本工程必須研究的內(nèi)容[1]。而水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算邊界條件的確立是過(guò)渡過(guò)程分析前的首要工作。

2.1 邊界條件的確定

邊界條件主要包含瞬時(shí)管頂最小壓力、瞬時(shí)最高水錘壓力和水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間[2]。國(guó)內(nèi)部分規(guī)范對(duì)于邊界條件的限定見(jiàn)表1。

從表1 可以看出，輸水工程管頂壓力穩(wěn)態(tài)工況下，各規(guī)范要求基本一致，均要求在最低壓力線以下2 m；瞬態(tài)工況下，各規(guī)范要求不一致，其中要求最高需達(dá)到+2 m，次之要求不大于2 m～3 m 的負(fù)壓，要求最低為不出現(xiàn)水柱斷裂（行業(yè)慣例為-4 m），作者認(rèn)為SL 702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定不太明確，暫按照“應(yīng)保證在各種設(shè)計(jì)工況下管道不出現(xiàn)負(fù)壓”的要求執(zhí)行。本工程揚(yáng)水管道采用涂塑鋼管，初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)時(shí)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》和《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》還未更新，未對(duì)瞬態(tài)工況管頂壓力提出明確要求，因此按照《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》的要求對(duì)瞬態(tài)工況管頂壓力規(guī)定不應(yīng)低于0.02 MPa。

表1 部分規(guī)范關(guān)于邊界條件要求統(tǒng)計(jì)一覽表

瞬時(shí)最高水錘壓力各規(guī)范要求計(jì)算的基準(zhǔn)基本一致，略有差異，對(duì)于本揚(yáng)水泵站，其中管道工作壓力≈水泵出口額定壓力＞正常靜水壓力，選取水泵出口額定壓力（設(shè)計(jì)揚(yáng)程）為計(jì)算基準(zhǔn)。瞬時(shí)最高水錘壓力與水泵出口額定壓力的比值均在1.3～1.5范圍內(nèi)，本泵站揚(yáng)程較高為186 m，比值選取1.4，即瞬時(shí)最高水錘壓力不超過(guò)260 m，且不允許采用超壓泄壓閥消除瞬時(shí)高壓。

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了規(guī)定，但對(duì)于大型泵組，倒轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)比較大，有必要對(duì)不引起泵組倒轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，因此本泵站分別對(duì)“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 min?！焙汀半x心泵不發(fā)生倒轉(zhuǎn)”分別計(jì)算。

2.2 問(wèn)題的提出

根據(jù)確定的邊界條件，分析得出本泵站相比常規(guī)泵站要求更高，一方面瞬態(tài)工況管頂壓力規(guī)定不應(yīng)低于0.02 MPa，常規(guī)空氣閥不能應(yīng)用于本工程；另一方面要求分別計(jì)算離心泵不發(fā)生倒轉(zhuǎn)和發(fā)生倒轉(zhuǎn)兩種工況，因此需要用液控兩階段關(guān)閉規(guī)律閥門和軸流式止回閥分別和雙向調(diào)壓塔、水錘消除罐、單向調(diào)壓塔等調(diào)壓設(shè)施組合計(jì)算，尋求適合本泵站的安全可靠的最優(yōu)水錘防護(hù)措施[9]。

3 水錘防護(hù)措施的選擇

3.1 水錘防護(hù)措施各方案計(jì)算分析

為了找出SJZ 泵站事故停泵時(shí)的最優(yōu)水錘防護(hù)措施，根據(jù)工程布置和各調(diào)壓設(shè)施設(shè)備的適用性，共優(yōu)選了16 個(gè)可行方案，分別為：（1）泵后止回閥采用液控球閥，布置有4 處單向調(diào)壓塔、5 處單向調(diào)壓塔、6 處單向調(diào)壓塔、1 處單向塔+1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、2 處單向塔+1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+2 處單向塔、2 處水錘消除罐共計(jì)7 個(gè)方案[10]；（2）泵后止回閥采用液控活塞閥，布置有1 處水錘消除罐+2 處單向塔、2 處水錘消除罐共計(jì)2 個(gè)方案；（3）泵后止回閥采用軸流式止回閥，布置有1 處水錘消除罐+1 處單向塔、1 處水錘消除罐+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+1 處單向塔+1 處雙向塔、1 處水錘消除罐+2 處單向塔、1 處水錘消除罐+3 處單向塔、2 處水錘消除罐、4 處水錘消除罐共計(jì)7 個(gè)方案[11]。計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3、表4。

表2 泵后止回閥采用液控球閥的7 個(gè)方案計(jì)算分析結(jié)果

表3 泵后止回閥采用液控活塞閥的2 個(gè)方案計(jì)算分析結(jié)果

表4 泵后止回閥采用軸流式止回閥的7 個(gè)方案計(jì)算分析結(jié)果

3.2 管線水錘防護(hù)措施方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件并根據(jù)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析優(yōu)化，壓力鋼管采用“前緩后陡”、“一路上坡”布置，前段0+000～5+400 地勢(shì)平緩，平均縱坡為1/131.7，后端較陡，平均縱坡為1/40.8，事故停泵時(shí)，負(fù)壓多發(fā)生在管道后半段，從表2 的方案1、方案2、方案3 可以看出，如采用單向調(diào)壓塔單一措施時(shí)，最多需要6 個(gè)單向調(diào)壓塔才能滿足要求，在管線后半段布置較為密集，平均1 km 布置1 個(gè)，如果要降低單向調(diào)壓塔的數(shù)量，則塔的高度相應(yīng)增高，最高需要40 m 高度才能滿足要求。從表4 的方案7 可以看出，如采用常規(guī)水錘消除罐泵后布置，水錘消除罐泵體積較大，總?cè)莘e將達(dá)到301 m3，投資較高。根據(jù)管線布置特點(diǎn)，調(diào)壓設(shè)施可優(yōu)化布置在管線后半段，通過(guò)多方案計(jì)算分析，在管道中部6+480 位置布置1 處水錘消除罐較為經(jīng)濟(jì)合理，6+480 至管道末端再進(jìn)行單向調(diào)壓塔、水錘消除罐和雙向調(diào)壓塔的計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，后段布置1 處調(diào)壓點(diǎn)技術(shù)可行，可選擇1 處單向調(diào)壓塔，塔高31.5 m；或1 處雙向調(diào)壓塔，塔高36 m；或1 處56.5 m3水錘消除罐[11]。單向調(diào)壓塔較雙向調(diào)壓塔塔高相差不大，且需要單向閥門控制，相對(duì)可靠性略差；水錘消除罐與雙向調(diào)壓塔相比較，可靠性相當(dāng)，但日常維護(hù)量較大，需要不定時(shí)補(bǔ)充罐內(nèi)氣壓。通過(guò)分析比較，后段1 處調(diào)壓點(diǎn)選擇雙向調(diào)壓塔。最終，一條管線的水錘防護(hù)措施選用6+480 處布置120 m3水錘消除罐，10+491 處布置1 座雙向調(diào)壓塔，塔高36 m。

3.3 泵后止回閥選擇

根據(jù)已選擇的管線水錘防護(hù)措施，泵后止回閥分別進(jìn)行了液控球閥、液控活塞閥和軸流式止回閥的計(jì)算分析[12]，結(jié)果表明，不同閥型對(duì)管線的水錘防護(hù)措施影響較小，可忽略。對(duì)3 種閥型的優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表5。

表5 水泵出口止回閥性能比較表

球閥與活塞閥方案均為電液自動(dòng)控制模式。雖球閥比活塞閥快關(guān)時(shí)間略長(zhǎng)，但由于本項(xiàng)目管線前6 km 坡度相對(duì)較緩，在斷電后，由于管中水流的慣性，從斷電至管中水流倒流時(shí)間約8 s～10 s，球閥也能實(shí)現(xiàn)5 s～8 s 快關(guān)90%的要求，因此，在控制模式相同，都能滿足調(diào)保要求的前提下，考慮到活塞閥的過(guò)閥水損較球閥大，所以兩階段關(guān)閉方案推薦球閥方案。

球閥與軸流式止回閥相比較，球閥全開(kāi)時(shí)流道為全通徑，正常運(yùn)行時(shí)水損基本為零。但其需配備重錘或蓄能式液壓控制系統(tǒng)，為電液自動(dòng)控制模式，存在誤操作等因素。事故斷電工況下其緩閉會(huì)引起倒流，使泵組倒轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的噪音及振動(dòng)。

軸流閥雖正常運(yùn)行時(shí)過(guò)閥水損為0.8 m，但該閥為水力自動(dòng)控制閥門，運(yùn)行相對(duì)安全，閥體外無(wú)需液壓控制系統(tǒng)，價(jià)格也相對(duì)球閥經(jīng)濟(jì)?！傲懔魉佟标P(guān)閉，噪音及振動(dòng)很小，最突出的是機(jī)組無(wú)倒轉(zhuǎn)，可有效地保護(hù)泵組，另外，DN1 200 mm，PN4.0 MPa 軸流式止回閥不存在技術(shù)、制造等相關(guān)問(wèn)題，軸流式止回閥雖在水利行業(yè)運(yùn)用相對(duì)較少，但在石油天然氣、市政行業(yè)已運(yùn)行十余年。因此，泵后止回閥選用水力自動(dòng)控制、水泵機(jī)組無(wú)倒轉(zhuǎn)、運(yùn)行方便、相對(duì)經(jīng)濟(jì)的軸流式止回閥。

3.4 水錘防護(hù)措施方案

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，本泵站水錘防護(hù)措施方案選定為：泵后止回閥選用DN1 200 mm，4.0 MPa 軸流式止回閥，6+480 處布置120 m3水錘消除罐，10+491處布置1 座雙向調(diào)壓塔，塔高36 m。另外，為了進(jìn)一步提高工程安全可靠性，在假設(shè)水錘消除罐失效情況下，按照瞬時(shí)管頂最小壓力不大于-4 m，其它要求不變的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了2 道超壓泄壓閥和9 處防彌合水錘的空氣閥。

計(jì)算部分截圖見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

圖1 一管雙機(jī)（Q=3.25+3.25 m3/s）事故工況壓力包絡(luò)線

圖2 水泵轉(zhuǎn)速變化圖

圖3 閥后最大壓力變化圖

圖4 最小壓力變化圖

圖5 空氣罐水位變化圖

圖6 雙向塔涌浪變化圖

圖7 出水池水位變化圖

4 結(jié)語(yǔ)

本泵站通過(guò)多方案的計(jì)算分析，最終在保證安全性的前提下，管線水錘防護(hù)措施從最多需要設(shè)置6 處優(yōu)化成僅布置了2 處，減少了運(yùn)行維護(hù)點(diǎn)數(shù)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

通過(guò)對(duì)本泵站的水錘防護(hù)措施的大量研究，總結(jié)以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）泵站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算是泵站設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，同時(shí)也是對(duì)管線布置、泵站出水池容積等的優(yōu)化過(guò)程，設(shè)計(jì)人員應(yīng)耐心對(duì)待。本泵站揚(yáng)水管道采用前緩后陡、減少或消除尾部起伏點(diǎn)和平管段、盡量減少中部管線起伏等措施，類似工程可參考。

（2）若水錘消除罐布置在揚(yáng)水管道起始位置，泵后止回閥宜優(yōu)先選用軸流式止回閥，如選用液控閥門，則在負(fù)壓狀態(tài)下，水錘消除罐中壓力水會(huì)通過(guò)機(jī)組損失一部分，水錘消除罐容積要求更大。

（3）由于軸流式止回閥、水錘消除罐（內(nèi)膽式）的研究較少，軸流式止回閥的開(kāi)、關(guān)閥門規(guī)律國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，水錘消除罐（內(nèi)膽式）進(jìn)、出水口的阻力系數(shù)和主管連接管直徑等參數(shù)的計(jì)算方法、認(rèn)識(shí)也不盡相同，造成計(jì)算研究過(guò)程中計(jì)算結(jié)果相距較大。在本次選型研究中，經(jīng)與清華、河海、武漢三家大學(xué)多次研討，最終統(tǒng)一了上述參數(shù)，為多方案比選提供了必要的基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)重視。