高揚程大型浮船取水泵站水錘防護措施探討

李玲玲，張 迪，張 波，顧世祥

（云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650051）

0 引 言

近幾年隨著水利行業(yè)的發(fā)展，云南省因其獨特的山高水低的地理特征，規(guī)劃了大批從天然河流或已建水庫取水的提水泵站。這些工程普遍存在取水水源水位變幅大及取水條件受限的顯著特點，浮船泵站屬于移動式取水泵站，能適應水位變化和漲落頻率變化，適用于河流和水庫邊取水［1］，故密集出現(xiàn)了大量浮船取水泵站。浮船泵房施工簡單，僅在岸邊修建錨墩和懸臂支墩連接、固定浮船即可，土建施工少，對地質(zhì)地形破壞小等［2］。國內(nèi)學者對浮船泵站及附屬設(shè)施在實際工程中的應用已有較多論述［3-7］，其關(guān)注點集中在浮船泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備選型、建筑物選擇等方面，而針對浮船泵站水錘防護的相關(guān)內(nèi)容卻很少提及。僅有袁芳［8］等針對高壓力大型浮船泵站進行了空氣罐不同布置位置和增加中間止回閥的水錘防護措施的研究，得到對于所研究工程較好的水錘防護措施：泵后止回閥+岸邊空氣罐+中間止回閥。但是該聯(lián)合防護措施中的“中間止回閥”由于布置于空氣罐下游，阻斷了空氣罐對中間止回閥后管路的防護。下面以云南某陡峭地形高揚程大型取水浮船泵站為例，通過數(shù)值模擬計算，分析空氣罐和注微排氣閥對浮船泵站水錘防護的影響，進而給出類似工況下浮船泵站的有效水錘防護模式。

1 工程概況

某梯級泵站工程供水系統(tǒng)圖如圖1所示，工程取水位置在云南省某大型水電站庫區(qū)內(nèi)，設(shè)計流量1.5 m3/s，水庫正常水位602.0 m，死水位591.0 m，水位變幅11.0 m。一級泵站采用浮船泵站，設(shè)置4臺工作泵，總裝機4 480 kW（4×1 120 kW），水泵采用1對2變頻調(diào)速運行方式，設(shè)計揚程為184.4 m，主泵房采用下承式布置，浮船泵站出水管以搖臂接頭的方式與岸上連接，設(shè)置1條管徑為DN1000的搖臂，浮船及泵組主要參數(shù)見表1、2，屬高揚程大型浮船泵站。

表1 浮船主要參數(shù) mTab.1 Main parameters of floating ship

表2 泵組主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of pump group

圖1 供水系統(tǒng)圖Fig.1 Water supply system diagram

泵站引水系統(tǒng)由進水管、水泵、出水支管、出水均壓管及出水總管、出水池等組成。水泵進水為單管單機布置，出口壓力鋼管為單管四機布置方式。進水支管長度約為5 m，管徑0.60 m；出口支管長度約為5 m，管徑DN450，出水總管管徑為DN1000，沿陡峭地形布置接入出水池（二級站進水池），總長約485 m。水泵出口止回閥流量系數(shù)Kv值約11 800 m3/h。

2 水力過渡過程計算

2.1 過渡過程計算目標控制值

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB/T50265-2010）的要求，并結(jié)合本泵站的特點，按照“確保安全、留有適當裕度”的原則，浮船泵站水力過渡過程計算控制值初步確定為：

（1）在不同運行水位和各種運行工況組合下，當水泵電動機組在最不利組合工況下的斷電事故，計算水泵電動機最高反轉(zhuǎn)速度不應超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。

（2）在不同運行水位和各種運行工況組合下，系統(tǒng)計算最高壓力不應超過水泵出口最大靜壓的1.5倍。

為解決后段負壓，在管線400 m之后設(shè)置2臺DN150-3.2注汽微排閥，延時0.02 s（較理想）進行負壓防護。通過對泵后止回閥兩階段關(guān)閉和隨水流速閉共4個方案進行計算，具體關(guān)閥規(guī)律如表3所示，計算結(jié)果見表4。圖4和圖5所示為水泵出口止回閥處壓力及水泵流量變化曲線。

2.2 瞬變流無保護工況

綜上所述，將舒適護理應用在手術(shù)室護理工作中，能夠在緩解患者焦慮情緒的同時，降低患者手術(shù)后發(fā)生并發(fā)癥的幾率，從而能夠有效提升患者對護理工作的滿意度。

對于管線升壓和震蕩問題，一般可依靠水擊泄放閥來解決。水擊泄放閥是一種隔膜式水力操作的閥門，可通過高低壓導閥實現(xiàn)在管線壓力高時泄壓，壓力低時自動關(guān)閉。但其對管線后段負壓幾乎不起作用。且其設(shè)置在泵站出口處（即在浮船上），其泄放的能量實際是從管線震蕩轉(zhuǎn)移到了對浮船的反推力，故對浮船的穩(wěn)定性可能受到一定影響；空氣罐是密閉的高壓容器，對于輸水系統(tǒng)而言，其上部為高壓氣體，下部為水體，底部通過連通管與主管道相連，利用罐體壁面與水面所形成的封閉氣室，依靠氣體的壓縮和膨脹特性，來反射水錘波，抑制水位波動，保證輸水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。當泵后出現(xiàn)壓力升高時，罐內(nèi)的氣體將會進一步壓縮，管中的水體流入罐中，從而有效地防止管路中的壓力過高［9，10］。國內(nèi)對空氣罐的研究已經(jīng)趨于完備，在實際應用中也已經(jīng)非常成熟［11］，故下一步對設(shè)置空氣罐進行試算。

圖2 水庫低水位無防護下管線壓力包絡(luò)線Fig.2 Pressure envelope of pipeline without protection at low water level of reservoir

圖3 水庫低水位無防護下相對值Fig.3 Relative value of pumping station without protection at low water level of reservoir

早期的礦業(yè)因市場行情低迷、設(shè)備技術(shù)條件落后、綜合利用意識淡薄，大量的有價元素及非金屬礦被遺棄于尾礦中。通過選礦工藝技術(shù)升級或尾礦再選回收有價元素與有用礦物，其經(jīng)濟效益明顯，也是尾礦資源化和減量化的主要途徑之一。

由計算結(jié)果可知，設(shè)計工況下當系統(tǒng)不設(shè)置防護措施，水泵發(fā)生抽水斷電事故且泵后閥門拒動時，管段最大壓力雖未超過最大內(nèi)水壓力的承壓標準，但水泵反轉(zhuǎn)速超過1.2倍額定轉(zhuǎn)速，管道后段存在較大負壓，如不設(shè)置水錘防護措施，將危害系統(tǒng)安全。故本系統(tǒng)水錘防護應著重于管線后段負壓和水泵倒轉(zhuǎn)問題。

當進水池水位最低、出水池水位最高、輸水流量最大時，水泵所需揚程最大，此時水泵抽水斷電產(chǎn)生的危害也最大。故對此工況進行4臺水泵無防護抽水斷電下的過渡過程計算，以便于分析本系統(tǒng)瞬態(tài)水錘特點。其具體設(shè)計工況描述如下：

在系統(tǒng)無水錘防護措施下，泵組發(fā)生抽水斷電事故且泵后閥門拒動時，水泵流量急劇減小，泵后壓力迅速降低。第一相內(nèi)水泵出口壓力水頭最大降幅為121.4 m，該降壓波沿輸水管道向下游傳播。水泵在掉電后最大倒流流量為0.43 m3/s，為設(shè)計流量的1.15倍，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速約為2 224 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的1.49倍。由于泵站輸水線路長485 m，水錘波速約1 000 m/s，故在事故停泵后約0.97 s（一個相長）反射的升壓波傳至泵后，使泵后壓力上升。由圖2可知，水泵抽水斷電后，由于降壓波的傳播使得管線后段約離泵站400 m以后的管道壓力降至汽化壓力以下。管道沿線壓力水頭最大值為231.8 m，位于泵站處，發(fā)生在第一個反射升壓波，沿線壓力水頭理論最小值為-9.21 m，位于離泵站約467 m處。

2.3 瞬變流有保護工況

浮船泵站在運行過程中其輸水管線是隨水位變化的，因此，水錘防護措施先按水庫最低水位進行設(shè)置，并在正常水位下進行驗證。

（3）在不同運行水位和各種運行工況組合下，引水系統(tǒng)沿線管頂計算最小壓力水頭大于-2 m。

表3 止回閥關(guān)閉規(guī)律Tab.3 The closing law of check valve

表4 止回閥不同關(guān)閉規(guī)律計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of different closing laws of check valve

圖4 水泵出口相對壓力變化曲線對比Fig.4 Comparison of relative pressure curves at pump outlet

圖5 相對流量變化曲線對比Fig.5 Comparison of relative flow change curves

從表4可知，不管如何調(diào)整水泵出口止回閥關(guān)閉規(guī)律，僅設(shè)置注微排氣閥防護下管線后段負壓均無明顯改善。哪怕是第一階段隨水流關(guān)閉至5%開度，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速都達到了額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。隨著止回閥第一階段關(guān)閉的開度減小，管線正壓水頭有所減小，管線震蕩幅度也有所減小（見圖4），雖有減小趨勢，但在100 s時仍達35 m左右。隨水流速閉時震蕩值最大，且?guī)追N關(guān)閉規(guī)律下衰減均較慢?？梢姡粢鉀Q水泵倒轉(zhuǎn)問題，事故停泵后應盡快關(guān)閉止回閥，而快速止回閥帶來的管線升壓、震蕩問題以及后段負壓，還需進一步采取措施來解決。

發(fā)射部分中，信號模擬器根據(jù)來自控制主機的參數(shù)，精確生成包含多普勒信息的微波信號，中心頻率為1.772 GHz，頻率可變范圍是1.75～1.8 GHz。在馬赫曾德電光強度調(diào)制器（MZM）中，使用生成的微波信號對1 550 nm激光進行強度調(diào)制，調(diào)制后的激光經(jīng)光衰減器傳輸至接收部分，其中光衰減器模擬了光在空間傳播中的衰減。

水庫處于最低運行水位591.0 m，出水池處于正常水位770.4 m運行，泵站輸水系統(tǒng)總流量1.519 m3/s，該工況下水泵揚程為180.0 m，水泵均處于工頻運行。四臺水泵同時掉電，泵后止回閥拒動。計算結(jié)果見圖2、3。定義相對轉(zhuǎn)速=實際轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速，相對壓力=實際壓力/最大靜壓，相對流量=實際流量/設(shè)計流量。

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根據(jù)工程特點，水錘防護措施主要從以下幾個方面考慮：①浮船泵站上設(shè)置空氣罐占用空間較大，且空氣罐對基礎(chǔ)要求較高，浮船上很難滿足，設(shè)置難度較大，故將空氣罐設(shè)置在岸上進行試算；②考慮浮船的穩(wěn)定性，盡量控制水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，水泵出口設(shè)置隨水流速閉止回閥；③為了減小氣罐容積進而減小投資，后段設(shè)置注微排氣閥以減輕局部負壓。水錘防護設(shè)備參數(shù)詳見表5。計算結(jié)果見圖6、圖7。

表5 水錘防護設(shè)備參數(shù)Tab.5 Parameters of water hammer protection equipment

圖6 聯(lián)合防護下高低壓包絡(luò)線Fig.6 High and low pressure envelope under combined protection

圖7 聯(lián)合防護下水泵出口相對壓力變化曲線Fig.7 Relative pressure curve of pump outlet under combined protection

由計算圖可知，水庫在低水位下，在速閉止回閥和岸上設(shè)空氣罐以及管線后段設(shè)1臺注微排氣閥的聯(lián)合防護下，可有效控制系統(tǒng)在事故停泵下最大水錘升壓、管線末端低壓、水泵倒轉(zhuǎn)及管線震蕩等問題，最大壓力水頭上升值194.6 m，升壓約1.1倍，水泵無倒轉(zhuǎn)。沿線壓力水頭最低值約-1.6 m。計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2.4 水庫正常水位下水泵事故停機水力過渡過程計算的驗證

水庫處于正常水位602.0 m，出水池處于正常水位770.4 m運行，1、2號水泵工頻運行，3、4號水泵轉(zhuǎn)速約1 403.4 r/m（47.0 Hz），輸水線路的輸水流量為1.518 m3/s。在該工況下無負壓出現(xiàn)，滿足管線運行要求。在速閉止回閥和岸上空氣罐以及管線后段設(shè)1臺注微排氣閥的聯(lián)合防護下，4臺水泵同時掉電。計算結(jié)果見圖8～圖11。

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圖8 水客正常水位下高低壓包絡(luò)線Fig.8 High and low pressure envelope under normal reservoir water level

圖9 水庫正常水位下水泵出口相對壓力變化曲線Fig.9 Relative pressure curve of pump outlet under normal reservoir water level

圖10 水庫正常水位下空氣閥處壓力變化曲線Fig.10 Pressure variation curve at air valve under normal reservoir water level

圖11 水庫正常水位下水泵相對轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 Variation curve of relative speed of pump under normal reservoir water level

經(jīng)計算后壓力水頭上升值最大約200 m，為額定壓力的1.14倍，水泵無倒轉(zhuǎn)，沿線最低壓力水頭發(fā)生在管線后段空氣閥處，從圖10可知，該值歷時很短，約-1.41 m。經(jīng)驗證，低水位下采取的水錘防護措施同樣能夠適用于水庫高水位工況。

本文旨在對某煤礦的考勤數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，充分研究并利用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特點，對傳統(tǒng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則進行了優(yōu)化，避免了統(tǒng)計偏斜和信息丟失的現(xiàn)象，優(yōu)化了性能，實現(xiàn)了一個簡單的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘系統(tǒng)，供該煤礦的考勤數(shù)據(jù)分析使用。

3 結(jié) 論

與固定式泵站相比，浮船泵站輸水管線隨水位不斷變化，其水力過渡過程計算稍顯復雜，且瞬態(tài)工況下水泵倒轉(zhuǎn)及輸水管震蕩問題對浮船的穩(wěn)定性有較大影響，應受到更多的關(guān)注。實施過程中應及時結(jié)合泵組參數(shù)、管線實際敷設(shè)情況等對水錘防護方案在各水位下進行驗證。通過對本工程水錘防護措施計算對比分析可知，對于管線前陡后緩的高揚程大流量浮船泵站，水錘防護措施采用“速閉止回閥+空氣罐+注微排氣閥”方案，防護效果較好。