抽水泵站水錘分析計算及防護

張 銳

（陜西省榆林市榆陽區(qū)紅石峽供水站，陜西 榆林 719000）

0 前言

水錘是指在密閉管路系統(tǒng)(包括泵)內(nèi)，由于流體流量急劇變化而引起較大的壓力波動并造成振動的現(xiàn)象，又稱“水擊”。其瞬間壓力可大大超過正常壓力，并經(jīng)常產(chǎn)生破壞性影響。某抽水工程共四級加壓泵站，各級泵站的揚程相近，其中一、二級泵站出水管道后接隧洞，雖然揚程相對較高，但出水管道較短，三、四級泵站為長距離管道輸水，且泵站揚程高，其壓力負荷相對較大。選取三級泵站為例進行水錘計算，復(fù)核系統(tǒng)的安全性，驗證管路及防護系統(tǒng)布置的合理性。

1 泵站概況

三級泵站布置于整個輸水干管起點，泵站通過直徑為DN1400 球墨鑄鐵管輸水干管將水送至四級站前池，輸水干管總長約14.91 km。其中，泵站設(shè)計站上水位1008.0 m，設(shè)計站下水位932.0 m。共安裝4 臺離心泵，其中3 臺工作，1 臺備用。單泵設(shè)計流量0.80 m3/s，設(shè)計揚程100 m，轉(zhuǎn)速990 r/min。按照相關(guān)設(shè)備制造廠商資料，機組轉(zhuǎn)動慣量取500 kg·m2。當3 臺工作機組同時斷電時，引起的水錘壓力最大，對系統(tǒng)造成的危害也最大。泵后閥門的快關(guān)時間需要根據(jù)閥門拒動工況下的流量變化進行初步確定，故先要進行閥門拒動的水力過渡模擬，在此基礎(chǔ)上，初步確定閥門關(guān)閉規(guī)律，再根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整，最終得到最理想的關(guān)閉規(guī)律，使系統(tǒng)的最大最小壓力控制在管道承壓限度之內(nèi)的同時，滿足機組的倒轉(zhuǎn)要求。防護準則為：水泵機組的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不超過1.2 倍的額定轉(zhuǎn)速，且超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間不超過2 min；系統(tǒng)最大壓力不超過工作壓力的1.3～1.5 倍，最大負壓不超過3 m，且不能出現(xiàn)斷流彌合水錘。

2 兩階段緩閉蝶閥（無空氣閥）

當水泵斷電后，管道中水流速度急劇減小，由于出口閥門拒動，出水管道及出水池中的水將向管道中倒流，引起機組倒轉(zhuǎn)。在管道上不布設(shè)空氣閥，只采用兩階段緩閉蝶閥，采用特征線法復(fù)核能否滿足水錘防護要求。

2.1 快關(guān)5 s，全關(guān)15 s

圖1 快關(guān)5 s，全關(guān)15 s 水錘管路壓力包絡(luò)線

該工況下，水錘管路壓力包絡(luò)線見圖1。水泵機組不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是管道中會發(fā)生斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓293.8 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

2.2 快關(guān)5 s，全關(guān)30 s

在該工況下，水泵機組不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是管道中會發(fā)生斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓270.1 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

2.3 快關(guān)10 s，全關(guān)30 s

在該工況下，水泵機組不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但是管道中會發(fā)生斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓262.7 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

2.4 快關(guān)10 s，全關(guān)60 s

在該工況下，水泵機組不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，管道中發(fā)生斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓188.5 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

2.5 快關(guān)10 s，全關(guān)120 s

在該工況下，水泵機組最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-370 r/min，管道中出現(xiàn)斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓133.9 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

2.6 快關(guān)10 s，全關(guān)180 s

在該工況下，水泵機組最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-557 r/min，管道中出現(xiàn)斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓122.3 m，最大負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

閥門關(guān)閉的不同時間，具體工況見表1。

表1 三級泵站只加兩階段緩閉閥水錘壓力情況

3 兩階段緩閉蝶閥和空氣閥

以上計算說明，僅使用兩階段緩閉蝶閥難以滿足水錘防護要求。根據(jù)規(guī)范要求，在管道上布置空氣閥，每隔800 m～1200 m布置一個，管線布置波峰處加裝空氣閥，消除斷流彌合水錘，減小負壓。空氣閥進氣孔徑約為管徑的1/8～1/10 之間，排氣孔徑為進氣孔1/8～1/10。取進氣孔200 mm，排氣孔20 mm?？諝忾y共20 個。

3.1 快關(guān)5 s，全關(guān)15 s

在該工況下，水泵機組不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，管道發(fā)生斷流彌合水錘，最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓245.6 m，負壓-10 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

3.2 快關(guān)5 s，全關(guān)30 s

在該工況下，水泵機組無反轉(zhuǎn)，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓207.4 m，負壓-7.7 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

3.3 快關(guān)10 s，全關(guān)30 s

在該工況下，水泵機組無反轉(zhuǎn)，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓200.8 m，負壓-7.8 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

3.4 快關(guān)10 s，全關(guān)60 s

在該工況下，水泵機組無反轉(zhuǎn)，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓197.3 m，最大負壓-5.6 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

3.5 快關(guān)10 s，全關(guān)120 s

在該工況下，水泵機組最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-403 r/min，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓128.2 m，負壓-3.5 m。不在控制范圍內(nèi)，不滿足水錘防護要求。

3.6 快關(guān)10 s，全關(guān)180 s

水錘管路壓力包絡(luò)線見圖2。

圖2 快關(guān)10 s，全關(guān)180 s 水錘管路壓力包絡(luò)線

在該工況下，水泵機組最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-593 r/min，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓109.5 m，負壓-3 m。在控制范圍內(nèi)，滿足水錘防護要求。具體工況見表2。

表2 三級泵站加兩階段緩閉閥和空氣閥水錘壓力情況

為有效消除泵后壓力管道水錘，可在每條水泵出水支管上均安裝液控緩閉閥，在閥門處相應(yīng)安裝有伸縮節(jié)。為滿足液壓緩閉閥檢修方便，在液壓緩閉閥后出水支管上分別安裝電動蝶閥和伸縮節(jié)各1 套。閥門和伸縮節(jié)的公稱壓力根據(jù)水錘計算結(jié)果選定。

4 其它水泵水錘分析

同理，采用類似三級站的特征線水力計算方法，可求出一級泵站出水管（DN14000）采用兩階段緩閉閥2 s 關(guān)閉80%，至60 s 關(guān)完。在出水管道布置兩臺復(fù)合式空氣閥。最大正壓135.9 m，為當?shù)毓ぷ鲏毫Γ?18.0 m）的1.15 倍，機組無倒轉(zhuǎn)，在控制范圍內(nèi)。二級站出水管道上同樣采用兩階段緩閉閥2 s 關(guān)閉80%，至80 s 關(guān)完。在出水管道布置兩臺復(fù)合式空氣閥。四級站出水管（DN14000）采用兩階段緩閉閥10 s 關(guān)閉80%，至180 s 關(guān)完；在管道高點共布置6 個排氣閥，進氣孔200 mm，排氣孔20 mm。水泵最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-858 r/min，最大正常工作壓力87 m，最大正壓91.3 m，最大負壓-2.3 m。最大正壓126.4 m，為當?shù)毓ぷ鲏毫Γ?1.3 m）的1.05 倍，在控制范圍內(nèi)。

經(jīng)水力過渡計算，可綜合采用兩階段緩閉閥和空氣閥消除水錘壓力，滿足泵站安全正常運行要求。

5 結(jié)語

水錘現(xiàn)象在壓力管路中，由于流體的流速劇烈變化而引起一系列急驟地壓力交替升降的水力撞擊現(xiàn)象。管路中發(fā)生水錘現(xiàn)象時，隨著壓力的交替升降，液體分子質(zhì)點將相應(yīng)地呈現(xiàn)密疏狀態(tài)交替變化。經(jīng)分析計算，三級泵站在出水管（DN14000）采用兩階段緩閉閥時，10 s 關(guān)閉80%，180 s 關(guān)閉100%。在管道高點共布置20 個排氣閥，進氣孔200 mm，排氣孔20 mm。最大正壓109.5 m，為當?shù)毓ぷ鲏毫Γ?8.5 m）的1.11 倍，水泵機組最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-593 r/min，管道最大正常工作壓力98.5 m，最大正壓109.5 m，負壓-3 m，在控制范圍內(nèi)，滿足水錘防護要求。采用相同方法，求出其它泵站水錘防護措施。所以，在該抽水站中，可綜合采用兩階段緩閉閥和空氣閥消除水錘壓力，滿足泵站安全正常運行要求。