长距离输水无防护抽水断电过渡过程分析

李 诚

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概 述

对于长距离有压输水管道工程，由于管道线路长，造成运行维护检修困难，对管道事故的响应也有延时，管道破损情况反映迟缓。为控制工程造价，降低泵站机组投资，常选择转动惯量不大的泵机组。当泵机组转动惯量处于正常区间时，若突然发生水泵失电，泵机转速骤变导致泵后第一波的水锤压力在2s内下降很快。对于长距离有压管道输水系统，水锤波反射一相的时间远大于压降时间，断电泵后产生的第一波压降，一般视为负水锤特征。为了保证泵站及输水系统的的安全稳定运行，需针对系统中可能出现的水锤问题进行泵站抽水断电事故计算分析，计算不同初始流量条件下恒定流发生抽水断电时的泵组最不利参数(包括最大倒转转速、倒转时间、最大倒泄流量等)、管线最大最小水锤压力包络线，对泵出口阀关闭程序进行优化，确定工程合理的水锤防护措施。本文以广东省西部某长距离引调水工程为例，采用水锤和瞬态分析软件Bentley Hammer V8i (SELECT series6) 对工程设计方案进行建模,针对不同工况下泵站发生无防护抽水断电事故进行仿真计算，使用特征线法进行水力瞬态流分析，判断断电过渡过程对整个输水系统可能造成的影响, 为该引调水工程的设计及安全运行提供决策依据。

2 过程分析

2.1 工程概况

该长距离输水工程以水库作为取水水源，库外设置取水泵站，原水经泵站加压后，沿途经两次分水后输送至3个交水点，管线总长约61.92 km。最大输水规模12.3 m3/s。沿途2个分水口流量分别为：0.93、0.46 m3/s，3个交水点流量分别为：1.19、2.56、6.40 m3/s。工程3个主管管径及长度分别为DN2800和14.68 km、DN2600和39.40 km、DN2000和7.84 km。管道沿线在地形相对高点共设置了101个空气阀。取水泵站安装6台卧式单级双吸中开离心泵(4用2备)，具体的水泵参数见表1。

表1 水泵参数表

泵站每台水泵出口均设置DN1200(1.6 MPa)液控缓闭止回蝶阀作为断流设备，正常情况下当泵组启动时开启，停机时关闭；泵组事故失电时该阀门按调定的角度和时间分快和慢两阶段关闭。

2.2 参数分析

泵站系统在实际运行期间有多种运行工况，不同工况下有压管段沿线的测压管水头和内水压力都有较大的不同。当管道流量较大时，流量变化也就越大，泵发生抽水断电时容易出现较大负压，为较危险工况;其次，当管道流量较小时，虽然流量小，但泵出口初始压力低，发生抽水断电时可能导致较大负压。拟定如下2种工况为无防护抽水断电危险工况。

工况一(最大流量)：引水水库水位32.30 m，管线末端水位42.42 m，水泵扬程81.71 m，总流量12.26 m3/s，单泵流量3.065 m3/s。正常运行条件下管道沿线压力最小值为20.07 m，在输水系统末端桩号K62+167.00 m处；管道沿线压力最大值为89.49 m，出现在桩号K11+782.53 m处。

上述工况下泵站发生抽水断电事故，4台工作泵组全部断电，泵后阀无法工作。对该事故情况进行抽水断电过渡建模仿真计算，其计算结果如图1～4所示。

图1 管道全线最大压力包络线图

根据以上建模仿真计算结果，在最大流量工况下，泵站发生抽水断电事故，4台机组同时断电，泵后阀无法工作时，水泵转速断电后瞬时由正常590 r/min降至100 r/min，随后转速缓慢下降，断电后700 s时降至0 r/min，发生反转，断电后1 100 s时达到最大反转转速，-155.99 r/min，约为额定转速的26%，水泵反转时间相对较长，可能会对水泵造成破坏。

图2 管道全线最小压力包络线图

图3 桩号11+782.53 m处压力变化曲线图

图4 桩号37+030.23 m处压力变化曲线图

泵后压力瞬时由81.88 m降至-4.75 m，最大压降达88.63 m，该压力波向泵后传播将使得桩号K37+030.23 m处管中心的压力极小值达-36.57 m。随后由于水泵转速降低并反转，泵后压力逐渐升高并稳定。由于桩号K37+030.23 m处为管道沿线高程次高点，且上游K34+082.91 m处为全线管道高程最低点，发生抽水断电事故时，管道中瞬时流量变化大，管顶出现水柱断裂造成管内负压，最大负压将低于水的汽化压力-10 m，极为危险。尤其桩号30+980 m～54+081 m段，管道负压严重，管道内负压基本在-25～-10 m范围波动，管道内水体因负压而汽化，导致弥合水锤。

工况2(小流量)：引水水库水位32.30 m，管线末端水位42.42 m，水泵扬程37.60 m，总流量8.10 m3/s，单泵流量2.70 m3/s。正常运行条件下，管道沿线压力最小值为10.57 m，出现在桩号K37+030.23 m处；管道沿线压力最大值为59.42 m，出现在桩号K34+802.91 m处。

上述工况下泵站发生抽水断电事故，3台工作泵组全部断电，泵后阀无法工作。对该事故情况进行抽水断电过渡建模仿真计算，其计算结果如图5～8所示。

图5 管道全线最大压力包络线图

图6 管道全线最小压力包络线图

图7 桩号34+802.91 m处压力变化过程线图

图8 桩号2+770.70 m处压力变化过程线图

根据以上建模仿真计算结果，在小流量工况下，泵站发生抽水断电事故，3台机组同时断电，泵后阀无法工作时，水泵将发生反转。水泵转速断电后瞬时由正常590 r/min降至140 r/min，随后转速缓慢下降，断电后600 s时降至0 r/min，发生反转，断电后1 000 s时达到最大反转转速-188.21 r/min，约为额定转速的32%，水泵反转时间相对较长，可能会对水泵造成破坏。

泵后压力在水泵断电瞬间降为0 m，最大压降达41.32 m，伴随水泵反转转速在1 000 s时达到最大，泵后压力也在1 000 s时达到稳定。该压力波向泵后传播将使得桩号2+770.70 m处管中心的压力极小值达-22.49 m。此桩号处为泵后第一个管道高程高点，管道中流量小，断电后管道内水体倒流，造成该处管道内负压。管道全线存在严重程度不同的负压，在0～-8 m波动，可能在管道沿线不利点造成水锤。

3 防护措施

泵站系统在实际运行期间有多种运行工况，根据水泵抽水断电管道无防护计算结果可知，工况一计算得到的泵后管道负压最为危险，即取最低运行水位32.30 m，最远端交水点水位42.42 m，泵站4台水泵工作，输水系统按最大流量12.26 m3/s供水，单泵流量3.065 m3/s，水泵实际扬程为81.71m，此时4台水泵同时掉电。

3.1 调压塔设置

考虑管道沿线高程波动较大，泵后存在工况最不利点，水锤防护选择沿线布置2座单向调压塔。1号单向塔位于桩号K0+082.122 m，该处管中心线高程42.77 m，位于泵站压力箱下游。出现抽水断电事故时，防止低流量工况下管道负压，导致下游桩号11+782.53 m处高压力点管道内水体倒流冲击泵体。2号单向塔单向塔位于桩号K36+499.37 m处，该处管中心线高程36.94 m。由于桩号K34+082.91 m处为管道沿线中心线最低点，桩号K37+030.23 m处为管道中心线沿线次高点，沿线压力值极小点。2号调压塔主要在该处向管道内补水，防止管道内出现管顶双向水柱断裂形成真空，造成高负压弥合水锤。

3.2 泵后阀设置

在停泵事故发生后，为防止单向塔内的水体倒流，需要快速关闭泵后阀门。泵后阀门关闭得越快，单向塔向泵前倒流的水量越小，可在一定程度上降低机组反转转速，但关闭过快会导致阀后压力上升，初步给出下列4种阀门关闭规律，各方案阀门关闭规律如表2所示。

表2 泵后阀门不同方案关闭规律统计表

图9 水泵抽水断电后泵后压力变化过程图

根据泵后阀门不同的关闭规律，针对工况一情况的抽水断电事故，对事故后泵后压力变化进行了仿真计算。结果显示，在不同泵后发关闭规律下，阀后压力在第一次阀体动作后，泵后阀门关闭越快，阀后压力波动越为明显。5 s关闭规律下，阀后压力在17～49 m波动，对泵后管道及附属设施冲击较大，10、15、20 s关闭规律下，阀后压力在21～35 m波动，跟随关阀时间保持一致。阀体关闭动作慢，会导致抽水断电事故情况下水泵泵后压力降速低，出现短暂泵后高压情况。15、20 s的关闭规律下，泵后压力在抽水断电后10～15 s短暂上升至30 m，导致倒流量增大，水泵转速变化变大，单向塔稳定水位逐渐降低，可能造成水泵损坏。10 s关闭规律下，泵后压力在断电后7 s开始下降，基本在0 m压力情况下波动。

考虑到泵后阀主要是功能是保护水泵泵体安全，阀后不产生较大升压的同时能快速关闭泵后阀门避免单向塔中的水向泵前倒流，本工程取水泵站水泵抽水断电后泵后阀门关闭的推荐方案为泵后设置单向塔防护的方案下泵后阀门以10 s一段直线规律关闭。

4 结 论

(1) 针对该工程的2个工况下计算结果表明，在泵后无防护措施时，当泵站机组在发生抽水断电事故后，两种流量工况下，管道内均出现负压。根据GB 50013-2018《室外给水设计规范》规定，输水管道系统运行中，应保证在各种设计工况下，管道不出现负压。

(2) 本工程输水管道敷设高程最高接近50 m，一旦加压泵站抽水断电，各受水厂需要迅速关阀，否则输水干线将发生水柱分离；但由于本工程输水干支线长度超过60 km，水体惯性巨大，快速关阀又可能产生巨大的水锤压力，根据仿真计算结果得出，管道内压力极小值低于水体的汽化压力，管道会出现大范围液柱分离现象，或导致严重的弥合水锤事故。

对于类似的长距离有压管道输水工程，抽水断电后对系统影响较大，应在设计初期充分考虑抽水断电可能造成的管道内负压及水锤等事故情况，需要在合适的位置设置水力平压措施，同时校核加压泵站泵后阀关阀规律及各交水点关阀规律，确保工程运行安全。