压输水工程加压泵站水力过渡数值模拟计算分析

郭晓红

（山西省张峰水库建设管理局，山西 太原 030002）

1 工程概况

山西兴县工业基地水源地水资源综合开发利用工程一期工程主要解决中铝兴县氧化铝项目的生产、生活用水及沿线居民的人畜饮水问题，是支撑兴县氧化铝项目建成后正常生产和生活用水的保障性工程。

该供水工程从黄河滩地后彰河墕水源地开凿大口井取水，岚漪河入黄河口右岸滩地上的加压泵站前池，再经加压泵站加压后沿岚漪河向上游至龙耳村东的氧化铝项目蓄水池，年供水规模930.2万m3。泵站压力管线全长10.79 km，扬程75 m。全线采用泵站压力管道单排输水，管材为钢管，管径700 mm。

2 事故停泵水锤模拟计算

该工程以泵压输水为主，事故停泵水锤是计算的重点。停泵水锤模拟计算时，阀前的输水管道压力控制在1.3倍工作压力以下，水泵的最高反转数控制在1.25倍，以确定液控蝶阀的关闭时间及角度。经模拟计算分析，研究管线设置是否合理，以确定各段管道工作压力。

3 事故停泵水锤分析计算

加压泵站进水池设计水位780 m，出水池设计水位855 m，加压泵站安装水泵2台（一工一备）。主管道长10660.5 m，管径700 mm，管道壁厚12 mm，出水管阀门直径450 mm，泵站净扬程75 m，吸水高度6.7 m，设计扬程94 m，设计流量0.383 m3/s。

3.1 水锤波速

水锤波速计算公式为：

式中：α——水锤波传播速度，m/s；

K——水的弹性模量，取2.06×109Pa；

E——管材弹性模量，钢管为210×109Pa；

D——管道直径，700 mm；

δ——管壁厚度，12 mm。

经计算，该泵站管道水锤波速为1120 m/s。

3.2 事故停泵边界条件及计算工况

该供水工程加压泵站出口处装有两阶段关闭蝶阀，事故停泵时阀门按预先的关闭程序关闭。下面分两种情况对事故停泵的水锤分析计算。

一是一台水泵运行，事故停泵出口阀门拒动作（阀门失控）情况下水锤分析计算，即无阀防护，事故停泵机组倒转、倒流。二是一台水泵运行，事故停泵阀门按一定程序关闭水锤分析计算。通过分析计算，寻求发生事故停泵时阀门的最优关闭程序。

3.3 事故停泵水锤分析计算

两种工况计算结果见表1。

表1 加压泵站事故停泵主要参数汇总表

3.4 计算结果分析

一台水泵工作时，当出口两阶段关闭阀拒动（失控）情况下，事故停泵机组倒转、倒流，机组的最大倒转转速为额定转速的1.07倍，没有超过额定转速的1.2倍。因此，不会对水泵机组造成大的破坏。

在出口两阶段关闭阀拒动（相当于无阀防护）情况下，事故停泵出口断面压力升高不大，与水泵的额定扬程相当。在距离加压泵站9180 m处，出现局部压力波动现象，最大压力达86.28 m（相对于泵出口管中心线），不会造成大的破坏。

管道沿线各断面均不同程度出现负压，但无明显大范围水柱断裂现象，不会对管道造成破坏。

泵站事故停泵蝶阀按最优操作程序关闭，管道各断面压力变化较平稳，没有出现压力起伏较大的情况。机组倒转转速均小于额定转速。

泵站事故停泵蝶阀按最优操作程序关闭，没有出现较大范围内水柱断裂现象。

4 结论及建议

4.1 结论

第一，泵出口加装两阶段的关闭蝶阀对高扬程、长距离管道的水锤防护效果明显，在操作时应严格按照计算操作程序进行，该供水工程加压泵站推荐的阀门最优操作程序快关角度60°，快关角度30°，快关时间10 s，慢关时间50 s。第二，两阶段关闭蝶阀具有一阀多用的功能。正常运行时离心泵应关阀起动，降低起动功率；停机时应先关闭阀门，后停机，以防止水倒流、机组倒转；出现事故时按预先的操作程序关闭阀门，不会对机组及管道产生破坏，起到一阀多用的目的。第三，泵站如果采用自动控制系统，应按上述操作程序进行调试，确保按正常程序操作。第四，管道应按要求布设排气补气阀。

4.2 建议

第一，事故停泵水锤计算没有考虑2台水泵同时运行的情况，如果在实际工程中有可能出现这种情况，应进一步分析计算。

第二，5号排气阀设在桩号H5+354.20处，6号排气阀设在桩号H8+637.10处，两排气阀相距3282.9 m，建议在5号和6号排气阀之间增加1~2个排气阀。6号排气阀与7号排气阀之间的距离为2059.9 m，可考虑在中间增加1个排气阀。