大型泵站水锤防护措施选型研究

樊智军

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

SJZ 泵站设计流量13 m3/s，设计扬程为186 m，泵站内共安装6 台水泵，单泵流量为3.25 m3/s，3 台水泵（2 用1 备）并联在一根管路上，泵后止回阀采用DN1 200 mm、PN4.0 MPa 轴流式止回阀。泵后扬水管道长度11.16 km，双管并行布置，均为DN2 400 mm涂塑钢管，泵站出水池容积为2 600 m3。

2 边界条件确定及问题的提出

按照本泵站的布置形式，在无任何防护措施下，通过计算分析，停泵水锤现象发生最严重的工况为一条管道上两台水泵同时事故停机时，管道瞬时高压、管顶最小压力以及水泵倒转情况均超出相关规范要求，因此采用何种水锤防护措施是本工程必须研究的内容[1]。而水力过渡过程计算边界条件的确立是过渡过程分析前的首要工作。

2.1 边界条件的确定

边界条件主要包含瞬时管顶最小压力、瞬时最高水锤压力和水泵倒转转速和倒转持续时间[2]。国内部分规范对于边界条件的限定见表1。

从表1 可以看出，输水工程管顶压力稳态工况下，各规范要求基本一致，均要求在最低压力线以下2 m；瞬态工况下，各规范要求不一致，其中要求最高需达到+2 m，次之要求不大于2 m～3 m 的负压，要求最低为不出现水柱断裂（行业惯例为-4 m），作者认为SL 702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》中的规定不太明确，暂按照“应保证在各种设计工况下管道不出现负压”的要求执行。本工程扬水管道采用涂塑钢管，初步设计阶段设计时《水利水电工程压力钢管设计规范》和《室外给水设计标准》还未更新，未对瞬态工况管顶压力提出明确要求，因此按照《水利水电工程机电设计技术规范》的要求对瞬态工况管顶压力规定不应低于0.02 MPa。

表1 部分规范关于边界条件要求统计一览表

瞬时最高水锤压力各规范要求计算的基准基本一致，略有差异，对于本扬水泵站，其中管道工作压力≈水泵出口额定压力＞正常静水压力，选取水泵出口额定压力（设计扬程）为计算基准。瞬时最高水锤压力与水泵出口额定压力的比值均在1.3～1.5范围内，本泵站扬程较高为186 m，比值选取1.4，即瞬时最高水锤压力不超过260 m，且不允许采用超压泄压阀消除瞬时高压。

《泵站设计规范》和《水利水电工程机电设计技术规范》中对水泵倒转转速和倒转持续时间进行了规定，但对于大型泵组，倒转产生的噪声和振动比较大，有必要对不引起泵组倒转的设计方案进行比较，因此本泵站分别对“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2 倍，超过额定转速的持续时间不应超过2 min。”和“离心泵不发生倒转”分别计算。

2.2 问题的提出

根据确定的边界条件，分析得出本泵站相比常规泵站要求更高，一方面瞬态工况管顶压力规定不应低于0.02 MPa，常规空气阀不能应用于本工程；另一方面要求分别计算离心泵不发生倒转和发生倒转两种工况，因此需要用液控两阶段关闭规律阀门和轴流式止回阀分别和双向调压塔、水锤消除罐、单向调压塔等调压设施组合计算，寻求适合本泵站的安全可靠的最优水锤防护措施[9]。

3 水锤防护措施的选择

3.1 水锤防护措施各方案计算分析

为了找出SJZ 泵站事故停泵时的最优水锤防护措施，根据工程布置和各调压设施设备的适用性，共优选了16 个可行方案，分别为：（1）泵后止回阀采用液控球阀，布置有4 处单向调压塔、5 处单向调压塔、6 处单向调压塔、1 处单向塔+1 处水锤消除罐+1 处双向塔、2 处单向塔+1 处水锤消除罐+1 处双向塔、1 处水锤消除罐+2 处单向塔、2 处水锤消除罐共计7 个方案[10]；（2）泵后止回阀采用液控活塞阀，布置有1 处水锤消除罐+2 处单向塔、2 处水锤消除罐共计2 个方案；（3）泵后止回阀采用轴流式止回阀，布置有1 处水锤消除罐+1 处单向塔、1 处水锤消除罐+1 处双向塔、1 处水锤消除罐+1 处单向塔+1 处双向塔、1 处水锤消除罐+2 处单向塔、1 处水锤消除罐+3 处单向塔、2 处水锤消除罐、4 处水锤消除罐共计7 个方案[11]。计算结果分别见表2、表3、表4。

表2 泵后止回阀采用液控球阀的7 个方案计算分析结果

表3 泵后止回阀采用液控活塞阀的2 个方案计算分析结果

表4 泵后止回阀采用轴流式止回阀的7 个方案计算分析结果

3.2 管线水锤防护措施方案选择

根据现场地形条件并根据水力过渡过程计算分析优化，压力钢管采用“前缓后陡”、“一路上坡”布置，前段0+000～5+400 地势平缓，平均纵坡为1/131.7，后端较陡，平均纵坡为1/40.8，事故停泵时，负压多发生在管道后半段，从表2 的方案1、方案2、方案3 可以看出，如采用单向调压塔单一措施时，最多需要6 个单向调压塔才能满足要求，在管线后半段布置较为密集，平均1 km 布置1 个，如果要降低单向调压塔的数量，则塔的高度相应增高，最高需要40 m 高度才能满足要求。从表4 的方案7 可以看出，如采用常规水锤消除罐泵后布置，水锤消除罐泵体积较大，总容积将达到301 m3，投资较高。根据管线布置特点，调压设施可优化布置在管线后半段，通过多方案计算分析，在管道中部6+480 位置布置1 处水锤消除罐较为经济合理，6+480 至管道末端再进行单向调压塔、水锤消除罐和双向调压塔的计算分析，计算结果表明，后段布置1 处调压点技术可行，可选择1 处单向调压塔，塔高31.5 m；或1 处双向调压塔，塔高36 m；或1 处56.5 m3水锤消除罐[11]。单向调压塔较双向调压塔塔高相差不大，且需要单向阀门控制，相对可靠性略差；水锤消除罐与双向调压塔相比较，可靠性相当，但日常维护量较大，需要不定时补充罐内气压。通过分析比较，后段1 处调压点选择双向调压塔。最终，一条管线的水锤防护措施选用6+480 处布置120 m3水锤消除罐，10+491 处布置1 座双向调压塔，塔高36 m。

3.3 泵后止回阀选择

根据已选择的管线水锤防护措施，泵后止回阀分别进行了液控球阀、液控活塞阀和轴流式止回阀的计算分析[12]，结果表明，不同阀型对管线的水锤防护措施影响较小，可忽略。对3 种阀型的优缺点分析见表5。

表5 水泵出口止回阀性能比较表

球阀与活塞阀方案均为电液自动控制模式。虽球阀比活塞阀快关时间略长，但由于本项目管线前6 km 坡度相对较缓，在断电后，由于管中水流的惯性，从断电至管中水流倒流时间约8 s～10 s，球阀也能实现5 s～8 s 快关90%的要求，因此，在控制模式相同，都能满足调保要求的前提下，考虑到活塞阀的过阀水损较球阀大，所以两阶段关闭方案推荐球阀方案。

球阀与轴流式止回阀相比较，球阀全开时流道为全通径，正常运行时水损基本为零。但其需配备重锤或蓄能式液压控制系统，为电液自动控制模式，存在误操作等因素。事故断电工况下其缓闭会引起倒流，使泵组倒转，产生较大的噪音及振动。

轴流阀虽正常运行时过阀水损为0.8 m，但该阀为水力自动控制阀门，运行相对安全，阀体外无需液压控制系统，价格也相对球阀经济。“零流速”关闭，噪音及振动很小，最突出的是机组无倒转，可有效地保护泵组，另外，DN1 200 mm，PN4.0 MPa 轴流式止回阀不存在技术、制造等相关问题，轴流式止回阀虽在水利行业运用相对较少，但在石油天然气、市政行业已运行十余年。因此，泵后止回阀选用水力自动控制、水泵机组无倒转、运行方便、相对经济的轴流式止回阀。

3.4 水锤防护措施方案

经过以上计算分析，本泵站水锤防护措施方案选定为：泵后止回阀选用DN1 200 mm，4.0 MPa 轴流式止回阀，6+480 处布置120 m3水锤消除罐，10+491处布置1 座双向调压塔，塔高36 m。另外，为了进一步提高工程安全可靠性，在假设水锤消除罐失效情况下，按照瞬时管顶最小压力不大于-4 m，其它要求不变的标准设置了2 道超压泄压阀和9 处防弥合水锤的空气阀。

计算部分截图见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7。

图1 一管双机（Q=3.25+3.25 m3/s）事故工况压力包络线

图2 水泵转速变化图

图3 阀后最大压力变化图

图4 最小压力变化图

图5 空气罐水位变化图

图6 双向塔涌浪变化图

图7 出水池水位变化图

4 结语

本泵站通过多方案的计算分析，最终在保证安全性的前提下，管线水锤防护措施从最多需要设置6 处优化成仅布置了2 处，减少了运行维护点数量，达到了设计优化的目的。

通过对本泵站的水锤防护措施的大量研究，总结以下几点经验：

（1）泵站水力过渡过程计算是泵站设计的一项重要内容，同时也是对管线布置、泵站出水池容积等的优化过程，设计人员应耐心对待。本泵站扬水管道采用前缓后陡、减少或消除尾部起伏点和平管段、尽量减少中部管线起伏等措施，类似工程可参考。

（2）若水锤消除罐布置在扬水管道起始位置，泵后止回阀宜优先选用轴流式止回阀，如选用液控阀门，则在负压状态下，水锤消除罐中压力水会通过机组损失一部分，水锤消除罐容积要求更大。

（3）由于轴流式止回阀、水锤消除罐（内胆式）的研究较少，轴流式止回阀的开、关阀门规律国内还没有统一认识，水锤消除罐（内胆式）进、出水口的阻力系数和主管连接管直径等参数的计算方法、认识也不尽相同，造成计算研究过程中计算结果相距较大。在本次选型研究中，经与清华、河海、武汉三家大学多次研讨，最终统一了上述参数，为多方案比选提供了必要的基准，设计中应重视。