泵站规划设计中应注意的问题

陈柳杰 徐义桦 周宇翔

作者简介：陈柳杰（1987—），男，大专，工程师，研究方向为水利工程设计。

摘要：在泵站工程中，水锤事故往往是由于规划设计不当或操作不合理造成的，引起水泵出口管线和阀门损坏，乃至造成泵房进水和供水中断，产生重大损失，甚至出现因为害怕引起水锤事故而冲动采取水锤防护措施，不但形成工程材料浪费的现象，有时还会产生相反的效果。所以，怎样选取科学的防护措施，将最大升压和降压掌控在最小范围内，设计出经济、安全、靠谱的泵站防护措施，是泵站设计的一项关键性工作。降低与避免水锤问题的产生，需关注以下几方面的内容。本文详细总结了引水泵站的定义，结合实际案例梳理了泵站设计过程中常见的问题、经验，同时针对这些问题，提出了相应的解决方案。

关键词：泵站规划  设计方法  注意问题  解决方案

如今泵站项目因为设计规划不合理、操作管理不当，极易引发水锤事故，从而致使水泵出水管道、阀门遭受破坏，严重的话还会使得泵房被淹没、无法正常供水，引发重大的经济损失。基于此，如何制定出最为合理的防护措施，将升压、降压的最大值控制在误差允许范围内，确保设计方案的经济性、安全性、科学性，是当前泵站工作的重中之重。为有效控制水锤问题，必须关注以下几点内容。

1 引水泵站

1.1 水泵的选择

水泵站应结合泵站的作用与性能选取适宜的水泵，不同的水泵所具备的流量、扬程、变化规律都存在差异。

（1）一级泵站，又名取水泵站，主要安设于地面水源中，主要包含吸水井、泵房、闸阀井等内容[1]。一般情况下，取水泵站具备如下性能：首先，由于泵站埋深较大、结构复杂，为了避免破坏周围环境，通常被安设在郊区;其次，泵站直接从天然水体中取水，整体水质较好，但其中仍然包含一些污染物、泥砂等有害物质;再次，取水口的水位并不固定，往往会随着季节的推移而变动，因此泵站的水位变化显著，但出水口水位的变化却不明显;最后，泵站的流量取决于水厂的工作效率，其扬程会受到洪水期、枯水期的影响产生巨大差别。

（2）二级泵站，又名送水泵站，主要安设在水厂中，用于抽送处理完成的水。该泵站具备如下特征：首先，考虑到送水泵站的供水状况会随着居民用水状况的变动而出现变化，因此送水泵站的流量、扬程也是实时波动的;其次，送水泵站大多埋设在地面或属于半地下式，施工、管理难度低;最后，水泵站输送的水质更好。不同于其他水泵站，送水泵站不仅需要同时满足流量、水压的要求，还能够兼顾用水量的变化，因此在设计时应选择大小适宜，具备变频供水功能的设备。

（3）加压泵站。若城市引水管网覆盖周密、输配水管线长度较大、城市内部地势起伏显著，为了有效地控制经济成本，即可在城市管网中增设加压泵站[2]。加压泵站具备如下特征：首先，泵站埋深浅，绝大多数的加压泵站都直接安设在地面;其次，加压泵站输送的水质较好;最后，能够有效维系流量、水压的稳定。基于此，设计者在选择加压泵站时应尽可能选用相同型号的设备，这样做的目的是因为相同型号的设备不仅能够更好地维系流量、水压等参数的稳定，同时还在很大程度上降低管理难度，一旦设计者选择的水泵型号过多，则将大大提升管理难度，提高管理人员的工作量。

1.2 水锤的计算与防护

水锤对泵站的危害极为致命，所以对于水泵站来说，严格按要求对水锤进行防护至关重要。水泵站常使用的水锤主要包含直接水锤、间接水锤2种。前者主要是指关闭阀门的时间t在tZ（tZ=2L/C）以内，也就是说，最先发生的水击波反射至阀门之前，阀门能够完全关闭，此时水锤的计算公式为ΔP=ρCV0（1）;后者主要表示，关闭阀门的时间t超出了tZ（tZ=2L/C），也就是说，在最早一批的水击波反射到阀门时，阀门还没有全部关闭，此时通过理论力学动量定律即可计算出水锤，此时计算公式为ΔP=ρCV0tZ/t（2）。

上式（1）、式（2）中。C表示水击波传播速度：

其中，C0表示声音在水中的传播速度，具体数值为1440m/s;E0表示水的弹性模量;E表示管壁弹性模量;d表示管道直径;δ表示管壁厚度。

經计算，若是ΔP的结果超出了1.5倍的管道工作压力，此时必须立即启动水锤防护措施，有效控制水锤[3]。管理人员可以通过如下方法进行处理：（1）控制管中水流的速度;（2）适当延长阀门的关闭时间，可以根据实际需求在管路上添加多功能水泵控制阀，令其充当单向阀、闸阀、水锤消除器等多个设备的作用;（3）必要时还可以在压水管路上安设空气室、调节塔等设备，以达到保护水锤的效果，如图1所示。

2 设计中的注意问题

2.1 合理布置管线

设计者在布置管线的时候，应尽量确保管道纵断面的平滑，不可出现明显的凸部起伏，通常管道纵断面呈先缓后陡的形式，如果从出口处开始呈先陡后缓，极有可能在停泵的时候压力下降，致使管道凸部拐点位置明显降压，且若是压力值低于水的汽化压力，随着时间的推移，还有可能会出现“水柱分离”的问题。但若是设计者将管线布置调整成先缓后陡，就能够有效避免上述问题的发生。然而，考虑到管道纵剖面往往取决于地形地势的走向，并不是任何项目都能够根据设想修改管线的布置。

若所需要增加的挖方量有效，此时可以充分考虑经济效益，选择最适宜的站址[4]。但若是管道内必然会出现凸起，此时则需要根据计算，判断其是否会出现水柱分离等问题。其中，L1与L2均表示出水管凸部前后两端管道的长度;而H1和H2则表示凸部与水池水面的高度差;Ha表示实际工作扬程大小;L表示管道长度。通过计算，只要结果符合k1/b1<l，就表明不会出现水柱分离的问题。

2.2 降低管中流速

随着管中流速的下降，水流的惯性也将得到相应的检索，管道特性常数2p=aV0/gH0随之减小，进而有效控制了水锤的升降压。然而，若是项目单位适当增大管径，同样也会使得施工成本提升，因此，为了有效控制成本，施工人员应综合考虑管道摩阻损失以及经济成本，设计出最适宜的管径大小。此外，出于防护水锤的目的，设计者在设计时还应综合考量。

2.3 降低水锤波传播速度

随着水锤波传播速度的下降，管道特性常数2p=aV0/gH0的数值也会同步下降。此时，水锤往返耗时将明显增大，能在一定程度上控制水锤的压力变动。因此，设计者在设计管道的时候，应尽可能选择水锤波传播速度稍弱的管道，即选择管壁厚度较薄的管道。

2.4 合理选择阀门形式

项目选择的阀门形式的不同，将会导致其在开度情况下出现的损失系统存在差异。若保持关阀条件不变，全闭点周边变化均匀的阀门压力值上升都不明显[5]。普通的逆止阀在关阀时却会出现明显升压。与此同时，对于大流量、高扬程、长管道的泵站系统来讲，为了有效地避免出现水流倒泄、水泵机组反转、水锤明显升压等问题，设计者可以将普通逆止阀替换成两阶段关闭的可控阀或缓闭式逆止阀。在保证关阀条件不变的情况下，加快关闭闸阀的速度同样会使得压力值上升;若设计者选择了针阀，虽然能够较好地维持水力特性，但其全闭点周边的阻力同样胡急速消失;此外，若设计者选择了闸阀、蝶阀、球阀及止同阀等阀门，这些阀门能够很好地控制关阀点周边阻力损失的变化，控制流速变化率，进而能够起到控制水锤压力的效果。然而，无论选择哪种阀门，其关闭时间都取决于水泵运行状况、阀门驱动状况，应综合考虑所有因素做出最正确的决定。

2.5逆止阀问题

在泵站中安设逆止阀是为了有效避免管道内部出现水流倒泄、机组倒转等问题。对于包含多个水泵的管道系统来说，安设逆止阀能够帮助水泵之间灵活切换，无需中途停机，且操作方便、难度极低。然而，分析泵站运行状况可以发现，很大一部分的水锤问题都是因同逆止阀而产生的，还有一部分也可能是因逆止阀产生的[6]。因此，设计者在设计的时候，必须参照泵站实际需求，科学分布所有的逆止阀。（1）根据对水锤压力的计算，只要管道的最大水锤升压与水泵机组的最大倒转速度一直维持在规定数值内，就不需要借助逆止阀令机组倒转泄水。尤其是在单泵单管道且水泵扬程控制在40m以内的泵站中，这一规律更为适用。实践显示，只要设备处于正常运作状态下，该方法能够有效减少损失，停泵时也能有效控制水锤的升压。（2）拆卸所有的普通逆止阀，如图2所示，转而使用急闭式或缓闭式逆止阀。相较于普通逆止阀，快关逆止阀能够在动力中断事故发生时，第一时间关闭系统，避免出现倒流;而缓闭式逆止阀则能够在即将全闭阶段缓慢关闭系统，有效防止水锤急速升压。（3）设计者可在逆止阀前安设空气管、调压塔，以此有效控制水锤升压，这些设置也能在一定程度上起到保护水锤的效果。

3 管道设计中的其他水锤问题

（1）泵站管道所具备的强度与稳定性都必须满足水压力与设计外荷载的需求。水压力主要包含工作压力与水锤压力，而后者则包含土压力与附加荷载。若项目勘测发现管道内部存在水柱分离的可能，此时应额外考虑大气压力所施加的外部荷载[7]。由于水锤压力是典型的瞬时荷载，因此管道强度至少需要超出正常工作的压力，测试压力同样应大于等于正常工作压力与水锤压力的总和。

（2）考虑到管道直径可能会在中途出现改变，因此施工人员在選择管道的时候必须保证下游的管道流速不超过上游管道流速，从而防止关阀、停泵时，管道连接部位出现负压或水柱分离等问题。

（3）对于长管道输送系统来说，施工人员应借助调压塔或单向调压水箱将整个系统分为多个部分，以分担管中压力，维持压力值的稳定。

4 结语

要想设计出最佳的泵站应充分考虑所有因素的影响，尽可能地满足用户需求，严格把控停机次数，做到高效供水，科学分布泵站的布局结构，挑选更具质量保证的设施，以此打造出可靠性能更强的泵站。

参考文献

[1]金忱泓.试析市政给排水泵站的运行与管理问题[J].工程建设与设计，2021（18）：205-207.

[2]任凯.抽水站水泵技术改造与应用[J].山西水土保持科技，2021（1）：42-46.

[3]王金荣.浅谈水利泵站工程建设的规划设计及其施工管理[J].建筑工程技术与设计，2018（36）：2711.

[4]施璇.城市排水泵站水泵群的调度优化与智能控制系统的设计与实现[D].合肥：安徽建筑大学，2021.

[5]翟彤.车用电子水泵综合测试系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2020.

[6]王兴.凝水泵非定常空化特性研究[D].成都：西华大学，2020.

[7]夏欣欣.消防水泵系统设计关键问题研究[D].扬州：扬州大学，2019.