大沙坝提水泵站停泵水锤KY-PIPE模拟分析与防护

文杨发,蒋卫明

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程概况

大沙坝水库是向荣昌坝名酒工业园区及茅台循环经济科技示范园区供水，解决613.33 hm2农田灌溉与灌区内11 000人农村人口及二合集镇和合马集镇22 500人的饮水问题。其中,农田灌溉采用自流输水，工业及人饮供水采用泵站提水。大沙坝提水泵站位于大沙坝水库大坝下游左岸约600 m处，从大沙坝水库库区内取水，提水至大沙坝水厂，通过水厂向用户供水，设计总流量0.5850 m3/s，年总供水量为1400万m3。泵站采用3台卧式中开离心泵机组(两用一备)，单泵设计流量为0.2925 m3/s。工业及人饮供水工程的管线纵断面分布图和泵站提水系统示意图，如图1和图2所示。

图1 供水管线纵断面分布图

图2 泵站提水系统示意图

大沙坝提水泵站管线较长、提水扬程高、系统运行工况较复杂，水泵机组启动水锤和关阀水锤对供水管网能否安全可靠运行具有很大影响[1-2]。经管网调节保证计算，原水锤防护设置1个DN100、PN10注气微排阀和1个DN100、PN10复合式排气阀，能有效防止水锤现象产生的危害。但由于大沙坝水厂设计方案及厂内建筑物布置发生调整，相应泵站上水管原布置也需跟随调整，而已购的水锤防护设备能否满足调整方案水锤防护需求，是大沙坝泵站优化设计研究的关键内容之一。为此，采用KY-PIPE水锤分析软件对大沙坝提水泵站水力过渡过程进行数值模拟计算，对事故停泵水锤进行复核，为泵站安全、稳定运行优选合理的水锤防护措施。

2 工程优化设计基本参数

2.1 水锤防护规范指标

根据《泵站设计规范》GB 50265—2010要求，发生事故停泵时，应满足以下要求，即[3-4]：①水泵机组最高反转速度应低于120%额定转速，超过额定转速的持续时间应控制在120 s以内；②水锤防护设施后的最高压力应低于水泵出口额定压力的130%～150%；③输水管网任何部位不应出现水柱断裂。通过事故停泵过渡过程调节保证数值模拟计算，确定水泵机组最大倒转速、管网压力包络线等指标在规范限定范围以内，优选泵出口阀门关闭程序，同时复核校对水锤防护设施设置的合理性，确保水泵机组安全平稳运行。

2.2 分析特征技术资料

(1)泵站基本参数。水库水位：最高运行水位505.00 m，设计运行水位479.23 m，最低运行水位460.00 m，平均水位499.30 m，正常蓄水位505.00 m，死水位460.00 m；大沙坝水厂配水溢流井设计水位581.50 m；上水管管长690 m(原设计管长480 m)，管径700 mm；设计总流量0.585 m3/s。

(2)泵站机组附属设备。水泵出口设置液力自动蝶式多功能水泵出口控制阀，具有快、慢两段关闭功能。型号为BWCV-450-P25，公称直径为DN450，公称压力为2.5 MPa。

为使机组检修方便，水泵进、出口设置检修阀门。进、出口检修阀均为电动偏心半球阀，进口检修阀门型号为DYQ940H-10C，公称直径为DN500，公称压力为1.0 MPa；出口检修阀门型号为DYQ940H-25C，公称直径为DN450，公称压力为2.5 MPa。

3 水力过渡过程模拟仿真分析

3.1 模型参数设定

(1)进出水池参数设定。进水池死水位460.00 m；配水溢流井设计水位581.50 m；设计最大净扬程121.50 m，设计最低净扬程76.50 m。

(2)水泵机组参数设定。泵站采用3台卧式中开离心泵机组，型号为KQSN300-M6W-634，其性能参数如表1所示。

表1 水泵机组性能参数表

水泵机组转动惯量为3.75 kg·m2，水泵安装高程446.33 m；配套电动机功率P=630 kW，飞轮力矩GD2=70.00 kg·m2。止回阀为DN450微阻缓闭止回阀，止回阀处管中心高程446.00 m，流速为1.84 m/s，根据止回阀的流阻曲线图(见图3)查得水头损失ΔP=0.41 m H2O，流量系数Kv=5200。阀门推荐关闭规律为：快速关阀约80%～85%的角行程截流大量倒流水，操作时间为0～10 s；快关结束后，由缓闭装置缓慢关闭约15%～20%的角行程，操作时间为0～60 s。

图3 微阻缓闭止回阀开度—流阻曲线图

(3)管道参数设定。大沙坝提水泵站水泵机组从大沙坝水库内取水提水至大沙坝水厂，水泵设计最大净扬程121.50 m，设计最低净扬程76.50 m。取水总管1根，长约518.00 m；上水总管1根，直径DN700、长约690.00 m。管道特性参数，如表2所示。

3.2 KY-PIPE建模

基于管线节点的绝对坐标，使用KY-PIPE水锤分析软件，根据取水管线、泵站、上水管线间的平面位置关系建立二维水力计算模型，并在模型节点中输入控制节点高程、管线长度等特性参数。KY-PIPE软件生成的计算模型，如图4所示。

表2 输水管道特性参数

图4 泵站过渡过程仿真计算模型

3.3 仿真结果分析

3.3.1 稳态过程分析

(1)水库死水位460.00 m稳态运行。水库死水位460.00 m情况下，两台水泵并联运行，泵后阀门全开，通过KY-PIPE软件仿真模拟计算得稳态运行曲线(见图5)，此工况条件下，水泵扬程能够满足水力坡降要求。

(2)水库蓄水位505.00 m稳态运行。正常蓄水位505.00 m情况下，两台水泵并联运行，泵后阀门全开，通过KY-PIPE软件仿真模拟计算得稳态运行曲线(见图6)。此工况条件下，水泵扬程能够满足水力坡降要求。

3.3.2 瞬态过程分析

(1)水库死水位460.00 m瞬态运行。水库死水位460.00 m情况下，当两台水泵在阀门全开，不采取任何防水锤措施，突然失电，KY-PIPE软件仿真模拟计算得到提水水泵发生倒流时间约为3.1 s。根据管线倒流情况初步确定水泵出口止回阀关闭规律，即：快关3.0 s，关闭80%阀门开度；慢关33.0 s，关闭余下20%阀门开度。水泵出口处压力最高为185 m，水泵反转转速为-1900 r/min，管道多处出现压力为-10.1 m的真空值。仿真模拟仿真分析结果，如图7所示。

图5 水库死水位工况泵站稳态运行水力坡降

图6 水库正常蓄水位工况泵站稳态运行水力坡降

图7 水库死水位工况泵站瞬态运行水力坡降

水库死水位460.00 m条件下，发生事故停泵瞬态过渡过程，虽管道压力与水泵反转转速均满足规范要求，但管道产生的真空度却远超过规范要求，故需采取水锤防护措施。根据管网布置，在取水管桩号“取0+139.308”、“取0+213.498”分别设置一个DN100/DN3.2、PN10注气微排阀；在上水管桩号“上0+613.208”、“上0+575.883”、“上0+529.977”、“上0+450.669”、“上0+386.921”分别设置一个DN100/DN3.2、PN10注气微排阀进行水锤防护。图7中KY-PIPE软件仿真模拟结果表明：管网适当位置增设注气微排阀后，水泵出口压力最大值为139.6 m，最大压力上升相对值为103.28%，在规范允许的130%～150%额定压力范围内；水泵发生反转，反转转速800 r/min，为额定转速相对值的54%，满足规范要求；止回阀出口压力值为165.4 m，最大压力上升相对值为122.07%，在规范允许的130%～150%以下的额定压力范围内；但在取水管桩号取0+056.101～取0+086.702与桩号取0+170.397～取0+213.498处产生最大-0.8 m负压；在水泵进口处产生最大-1.7 m负压；在上水管桩号上0+386.921～上0+621.326处产生最大-2.0 m负压。虽然增设注气微排阀后管网局部仍存在吸气现象，但吸气处均设有注气微排阀，能有效防止发生断流弥合水锤[5-6]。

(2)水库蓄水位505.00 m稳态运行。水库正常蓄水位为505.00 m情况下，采用与水库死水位460.00 m水锤防护相同的设备设置方案，其模拟仿真分析结果，如图8所示。

图8 水库正常蓄水位工况泵站瞬态运行水力坡降

图8中KY-PIPE软件模拟仿真结果表明：水泵出口压力最大值为142.7 m，最大压力上升相对值为105.57%，在规范允许的130%～150%以下额定压力范围内；水泵发生反转，反转转速350 r/min，为额定转速相对值的24%，满足规范要求；止回阀出口压力值为142.5 m，最大压力上升相对值为105.17%，在规范允许范围内；但在上水管桩号上0+386.921～上0+391.631与上0+575.883～上0+617.404处产生最大-0.6 m负压，负压值较小，虽管网局部存在吸气现象，但吸气处均设置有注气微排阀，能有效防止发生断流弥合水锤。

4 泵站水锤防护措施

通过KY-PIPE软件模拟仿真分析，在取水管桩号“取0+139.308”、“取0+213.498”分别设置一个DN100/DN3.2、PN10注气微排阀，在上水管桩号“上0+613.208”、“上0+575.883”、“上0+529.977”、“上0+450.669”、“上0+386.921”分别设置一个DN100/DN3.2、PN10注气微排阀后，在水库正常蓄水位与水库死水位工况条件下，泵站系统其稳态和瞬态过渡过程的管道正压满足规范要求，管道负压得到明显改善，水锤防护设施设置合理可行，确保了泵站系统经济安全的稳定运行。

5 结 论

经KY-PIPE水锤计算软件模拟仿真计算复核，主要获得以下结论：

(1)KY-PIPE复核计算表明，原水锤防护设备设置方案不满足管线调整后的泵站提水系统的水锤防护需要。

(2)将水锤防护设备设置由原取水管安装1套注气微排阀与1套复合式排气阀调整为取水管安装2套注气微排阀和上水管安装5套注气微排阀。经KY-PIPE仿真计算，泵站系统其稳态和瞬态过渡过程的管道正、负压均满足规范要求，水锤防护设施设置合理可行。

(3)长距离、高扬程泵站实际运行中，有必要对水锤防护设备设置方案的有效性进行动态跟踪监测，以验证水锤防护设备设置方案的可靠性与有效性。