马彦斌，李 瑶，李江云

(武汉大学，武汉 430072)

1 概 述

中短距离的特大型离心泵并联泵站在我国灌溉系统中并不多见，但随着规模化农业的发展以及跨流域调水的需求，泵站向高扬程、大流量发展是将来的发展趋势[1]。过去对于大型泵站主要指流量较大的大型排灌泵站，学界主要关注进、出水流道设计对泵站高效稳定运行的影响；对于50 m左右的大流量高扬程泵站，由于我国排灌泵站无类似工程，学界对其启停过渡过程的研究尚未涉及。为寻找类似规模泵站工程经验，可采用核电行业循环冷却水泵站进行对比，目前我国此类循环水泵站单台机组功率可达7 000 kW左右，流量大多在20 m3/s以上[2]，与本文所讨论的泵站相当，但扬程一般在20 m左右，其系统主要由混流泵、蝶阀、凝汽器及高位出流喷头组成，采用蝶阀进行停机断流是普遍采用的水锤防护措施。本文涉及的特大型离心泵并联机组(单机8 000 kW等级，扬程50 m，流量12 m3/s)，流量规模为其一半，但扬程翻倍，虽然单机规模相近，但由于有更大的扬程，因此核电行业的循环混流泵机组的过渡过程运行经验虽可借鉴[4]，但由于泵站参数及管道组合形式与之不同，故必须对此类特大型离心泵并联输送系统的启停过渡过程进行针对性研究。

特大型离心泵输送系统设计采用关阀启动，以蝶阀、虹吸管加真空破坏阀联合断流。由于扬程较大，水锤防护成为泵站安全稳定运行的关键措施[5]。由于出水管需要接虹吸管后出流，管道系统最大出水流速在2-4m/s，超过规范要求，给逆止阀的防护措施带来一定难度。本文将针对上述超大型离心泵站的运行特征展开过渡过程及水锤防护措施的研究。

2 计算建模及工况分析

2.1 工程概况

某特大型离心泵站一共安装8台单机容量为8 000 kW的立式蜗壳式离心泵机组，8台机组分成两组，每组4台。每组的4台泵先通过直径2.2 m出水管逐步汇入集水管，然后通过一根直径为4.1 m长约620 m的总管，将水排至出水渠道(如图1)，泵站运行参数如表1。

表1 泵站运行主要参数Tab.1 Key operating parameters of pump station

2.2 建模及参数处理

(1)主泵立式蜗壳式离心泵参数。泵型：立式蜗壳泵

额定转速：nR=300 rpm

额定力矩：TR= 210 912 N·m

额定流量：QR=11.4 m3/s，额定扬程HR=53 m

(2)机组转动惯量。

水泵机组转动惯量：GD2=31 700 kgm3。

(3)蝶阀：液压开启，重锤关闭；

开阀时间：20～90 s(可调)；关阀时间：快关2.5～30 s，75±10°； 慢关6～90 s，15±10°。

(4)前池容积及水位。前池总容积为13 000 m3，池顶与地面高程齐平，池底与渠底高程齐平，可概化为一个圆柱形的surge tank，等效直径为51 m，前池初始液位近似等于进水渠液位，启动工况应满足最小淹没深度，停泵工况应满足小于最大雍水水位。

表2 液控蝶阀开度与阻力系数对应表Tab.2 The loss coefficient corresponding to the opening of butterfly valve

根据输水管路系统参数，管线计算简图见图1，通过对图1系统中各元件进行简化，可建立如图2所示的PIPENET软件计算模型。

根据启停泵过渡过程水锤防护的计算要求，对系统进行以下简化：

(1)进出水边界条件：由于前池容积较大，启停泵过渡过程中，与前池水位相连的明渠水位波动范围<0.3 m，对系统水锤压力的影响很小可忽略不计，因此图2所示的模型将进水明渠作为压力边界考虑，其压力为进水明渠水深。

(2)关于虹吸管等非圆管管段，采用等面积的圆形管近似，并设置等效摩擦阻力模拟管段压降，即可保证过渡过程的精度不受影响。

综上，可将进出水渠、前池至闸门、虹吸等矩形管段等面积等效为圆管进行建模计算，粗糙高度根据常用钢管及混凝土管粗糙高度取经验值，常开阀门、三通、变径管、偏心管、拦污栅等均作为水损元件输入；上、下游边界均为相应进、出水水位的压力边界；根据前池作用效果，前池容积由前池加拦污栅至闸门口段容积确定，为计算最不利工况点虹吸驼峰负压情况，虹吸处标高为驼峰顶部标高。

2.3 工况分析

过渡过程计算及水锤防护控制参数：基于前池及出水池特征水位，保证多泵启动水位满足最小淹没深，多泵同停且蝶阀拒动时保证前池不能冒顶，停泵倒流转速不超过1.3倍额定转速；计算停泵后缓闭蝶阀两阶段关闭程序保证系统压力不超过8 kg，泵后承压能力为80 m水柱，系统压力最低的虹吸驼峰顶部负压控制在-8 m，此外对于并联运行的大型立式机组，对称运行原则下，还需要区分不同侧远端和近端的并联泵，以及并联运行时部分泵启动或停机对其他运行水泵的影响。据此，针对该泵站工况特点考虑计算工况如下：

(1)对系统正常运行情况下8台机组稳定运行的系统进行模拟，以确认给水阻力系统及泵全特性曲线在水泵区间与实际稳定工况的符合性；

(2)在最高进水位条件下，计算8台泵机组同时事故停泵，缓闭蝶阀失灵情况下的泵机组是否小于飞逸转速，前池水位是否冒顶；按规范要求离心泵机组倒转转速不得大于1.2倍额定转速，但对于额定转速较小的立式机组，一般可按1.3倍转速计算，本文采用1.3倍额定转速作为控制值；

(3)需对表3所列的工况进行过渡过程计算。计算正常启动工况下的开阀时间；计算停泵采用缓闭蝶阀进行基于两阶段关阀程序的水锤防护，评估系统运行的安全性。重点关注以下5种关键工况校核的计算结果，即：①最大扬程，8泵运行，其中4泵同停，对运行泵的影响；②对应水位下，7泵运行，1泵启动，运行泵对启动泵的影响校核；③最大扬程下，8泵同停校核前池雍水水位及蝶阀关阀程序；④最小扬程下，2泵同停，单泵流量最大的蝶阀阀后水柱分离情况；⑤最小前池水位下，2泵同启，前池最小淹没水深校核。

3 计算结果及分析

首先，根据稳定流计算结果，由全特性曲线计算的水泵流量扬程基本符合水泵特性曲线，因此建立的模型阻力系统符合设计要求。

3.1 8泵运行4泵同停对运行水泵影响校核

3.1.1 蝶阀快关2.5 s到开度0.25，慢关6 s至全闭(2.5 s/0.25～6 s/0)

计算工况见表3。

表3 计算工况Tab.3 Operating condition of calculation

8台泵运行，其中4台泵停机，蝶阀失灵的工况前池水深6.21～5.31 m，水泵倒转转速为-6.22 r/min(<1.3 ne)，故不关闭蝶阀系统是安全的，但为防止倒流需要实施关阀。选择远离干管的两台泵(1号、2号)停泵的工况进行分析，前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图3所示。图3(a)给出了最大的阀后压力1号 泵停泵后的全线压力包络图，由图3(b)前池水深6.02～5.52 m，虹吸顶部压力9.56～-8 m；由图3(c)、图3(d)为停泵和运行泵流量、扬程及转速等参数变化。1号泵所在管线阀后最大压力为170.76 m，超过系统承压上限，故为使系统安全，关阀时间应慢于2.5 s/0.25～6 s/0的关阀程序。

3.1.2 蝶阀快关4 s到开度0.25，慢关6 s至全闭(4 s/0.25～6 s/0)

该工况下1#泵所在管线压力包络线如图4(a)所示，前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图4(b)～图4(d)所示。由图3(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管顶最小压力-8 m，有少量的水柱分离现象发生，但由于停泵后不再启动，故弥合水锤不大；由图4(d)泵后最大压力为149.36 m，超过系统承压上限，故应减缓阀门关闭速度。

3.1.3 蝶阀快关5 s到开度0.25，慢关6 s至全闭(5 s/0.25～6 s/0工况)

该工况下1号泵所在管线压力包络线如图5(a)，前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图5(b)～图5(d)：由图5(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管顶最小压力-8 m，有少量的水柱分离现象发生；图5(b)给出了主泵停泵关阀后的参数变化；图5(d)给出了关阀后的最大压力为78.92 m，故在4泵同停工况下，蝶阀采用快关5 s到开度0.25，慢关6 s至全闭的关阀程序可达到保护系统的目的。

3.2 7泵运行1泵启动对启动泵影响校核

7台泵运行、1台泵启动，采用闭阀启动方式，启动泵(8号泵)和运行泵[以3号泵(与启动泵异侧)和7号泵(与启动泵同侧)为例]所在管线压力包络线如图6(a)所示。前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图6(b)～图6(d)所示。图6(b)、图6(c)分别标表明运行泵(7号)后压力最大为59.87 m，运行泵(3号)泵后压力最大为55.7 m，对运行水泵影响不大，由图6(d)阀前最大压力为75.94 m，此工况安全。

3.3 最大扬程8泵同停关阀程序

8台泵运行为该泵站的能力校核工况，校核停泵倒流情况以及停泵关阀的缓闭蝶阀关阀程序。

3.3.1 8泵同停阀门拒动倒流工况

校核8台泵在对应进出水池水下运行，停泵后逆止阀拒动水流失去动力发生倒流，主泵机组反转前池涌水。校核前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图7所示。由图7(a)前池水深6.64～4.89 m，虹吸顶部压力-1.95～-4.15 m，由图7(b)，水泵倒转转速为-6.24 rps，小于1.3倍额定转速，倒转流量为-7.38 m3/s，1号泵后压力最大为60.03 m，前池水位溢出地面(>6.62 m)发生冒顶，故应设置相应的关阀程序。

3.3.2 蝶阀快关10 s到开度0.25，慢关20 s至全闭(10 s/0.25～20 s/0)

4号泵(阀后压力最大)所在管线压力包络线如图8(a)。前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图8(b)～图8(d)，由图8(b)前池水深6.45～5.21 m，虹吸顶部压力11.2～ -8 m，有水柱分离发生，但由于停泵后弥合水锤不大；4号泵阀后最大压力约为89 m，超过系统的承压上限(8 kg)，故需调缓关阀程序。

3.3.3 蝶阀快关30 s到开度0.25，慢关90 s至全闭(30 s/0.25～90 s/0)

根据上一工况计算结果，阀后压力超过系统承压上限，故将蝶阀两阶段关闭程序设为蝶阀快关30 s到开度0.25，慢关90 s至全闭，4号泵(阀后压力最大)全管线压力包络线如图9(a)，前池水深、4号泵泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图9(b)～图9(d)。由图9(b)，前池水深3.39～2.26 m，虹吸顶部压力-8～ 12.05m，由图9(d)阀后压力最大约为89 m，依然超出系统限制压力8 kg，说明延长快关及慢关时间没有明显效果，只能通过进气维持虹吸负压防止水柱分离，但本文计算发现采用气阀的效果依然不佳，因此建议只能通过提高系统承压能力到9 kg以上方可保护系统安全。

3.4 最小扬程工况，2泵同停关阀程序

3.4.1 蝶阀快关2.5 s到开度0.25，慢关6 s至全闭(2.5 s/0.25～6 s/0)

进口水位最高、出口水位最低的工况下，水泵流量最大，扬程最小，该工况下两台泵(4、5号)同时停机，管线压力包络线如图10(a)；前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图10(b)～图10(d)。由图10(b)前池水深为5.92～5.62 m，虹吸管顶压力-8～11.1 m，有少量水柱分离发生；由图10(d)，4号泵阀后压力94.02～-8 m，阀后发生水柱拉断，由于单泵流速最大，因此阀后压力超过系统承压上限(8 kg)，仍需放缓关阀时间。

3.4.2 蝶阀快关3 s到开度0.25，慢关6 s至全闭(3 s/0.25～6 s/0)

该工况下两台泵(4、5号 )同时停机，蝶阀快关3 s到开度0.25，慢关6 s至全闭，管线压力包络线如图11(a)，前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图11(b)～图11(d)。由图11(b)前池水深5.92～ 5.62 m，虹吸管顶压力-8～ 5.64 m，由图11(d)阀后压力77.46～-8 m，系统安全。故该工况下，蝶阀两阶段关闭必须慢于3 s/0.25～6 s/0。

3.5 最低进水位启动，前池最小水深校核

为保证前池水流对称流态稳定，采用主泵对称运行的方式，故2泵机组工况为1+1泵启动(1号/8号泵)，根据缓闭蝶阀开启要求以及电机启动电流控制时间，电机8.5 s达到同步启动，然后开阀，20 s完成全开。前池水深、泵后流量压力以及虹吸顶部压力随时间变化如图12所示。由图12(a)，阀前最大压力为73.54 m，在泵壳承压能力范围之内；由图12(b)前池水深2.93～2.66 m(<1.62 m)，可保证主泵正常吸水；其次，虹吸管流量由0 m3/s增长至12.94 m3/s，根据驼峰断面尺寸计算流速仅为0.76 m/s，该流速夹气能力不足，难以自动形成真空，需要辅助抽气系统完成启动。

4 防护措施结论

本文涉及的大型立式离心泵泵站的并联运行的启停过渡过程，由于泵站机组台数多，体量大，计算中应特别注意系统的简化条件，比如若干管道连接到虹吸管过程中，由于各管道长短及阻力特性不同，造成并联点不能按通常做法合并为一点，蝶阀关阀阻力特性必须考虑不同阀体结构的影响。综上，根据表3所列工况进行了各种校核工况下的过渡过程计算，情况分析及工程建议：

(1)最低进水位下，采用2泵同启，前池最低液位可满足最小淹没深。

(2)最高进水位下，8台同停时蝶阀拒动，水泵倒转转速不会超过飞逸转速或130%的额定转速，但系统倒流将使前池接近冒顶，必须关阀保护，且尽快启用真空破坏阀进气断流；经计算，该水位下，8台同停，蝶阀两阶段关闭采用最慢关阀程序依然不能满足阀后最大升压低于8 kg的系统限压，因此建议提升系统承压能力为9 kg。

(3)两阶段关阀程序宜按最缓时间控制，建议统一采用快关5 s至0.25，慢关6 s至全闭；对于7泵～8泵同停情况，尽量采用最大关阀程序，即30 s快关至开度0.25(22°左右)，慢关90 s至全关；在系统最低扬程下，2泵运行工况出现单泵流量最大，假设2泵同停，关阀保护，则将发生短时的阀后水柱分离及弥合，也建议采用快关5 s至0.25，慢关6 s至全闭。

(4)7泵运行1泵启动工况，启动泵采用闭阀启动，线性开发时间20 s，可安全启动；8泵运行时，4泵同停合理关阀保护对运行泵的影响不大。

(5)根据规范采用-8 m判断水柱分离，而实际汽化压为-9.5 m，计算结果相当于提前发生水柱分离，据此提出的工程防护措施更安全。

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