寇盼 刘超

摘要：枯木河一级浮船泵站为漂浮式浮船泵站，系统采用泵流输水方式，流量大、管道布置随地形起伏变化剧烈，需要对正常供水和事故停泵等工况下管道系统中的供水量、水泵效率、管道沿程压力变化进行分析。为保证该泵站水力过渡过程安全运行，借鉴类似泵站工程水力过渡计算的经验，结合现状基础资料对该泵站水力过渡过程进行了详细的计算分析。根据计算结果，建议在输水系统9处关键点位均安装“快进慢排”防水锤型空气阀，阀门关闭程序为3.0 s关闭80%，剩余20%开度用10 s关完。相关经验可供类似输水工程借鉴。

关 键 词：

浮船泵站； 水力过渡计算； 水锤防护； 枯木河

中图法分类号： TV675

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.044

0 引 言

在过去的几十年中，中国在泵站工程领域取得了巨大突破，诸多抽水泵站借此修建，相关技术迅速发展并应用于实践［1］。为确保泵站安全运行，延长泵站使用年限，泵站工程在设计阶段的水力过渡过程模拟计算就显得尤为重要［2-6］。

许多学者在抽水泵站的水力过渡计算和水锤防护领域都有研究，林红玉等针对水锤波速对长距离泵站输水管路中断流水锤的影响进行数值仿真计算，给出了水流中断的管路水锤防护建议［7-8］；蒋竹荷等基于瞬变流模型，对长距离污水压力管道的水锤风险进行了分析并提出了综合防护措施［9］；李玲玲等结合云南省当地实际情况，对高扬程大型浮船取水泵站水锤防护措施进行探讨，从瞬变流有无保护两方面对泵站水力过渡过程进行模拟，给出了水锤防护的建议［10］。

本文基于前人对抽水泵站水力过渡过程的分析和计算经验，对枯木河一级浮船泵站水力过渡过程进行了详细数值模拟仿真计算，并对其进行了安全运行评估，给出了该泵站的水锤防护措施建议。

1 工程概况

枯木河一级浮船泵站工程位于丽江市永胜县鲁地拉水库库区枯木河右岸以南，照壁山东北侧及西南角。泵站以東50 m有县道一条，交通相对便利。输水压力管道由浮船联络管和岸上输水管道两部分组成，浮船联络管长度为98.59 m，岸上输水管道长度为861.25 m。管径DN500，其中明管长137.937 m，埋管长723.308 m。

2 水锤计算依据

2.1 《泵站设计标准》的有关要求

（1） 7.2.3条：管顶线宜布置在最低压力坡度线下，压力不小于0.02 MPa。当出水管道线路较长时，应在管线隆起处设置排（补）气阀，其数量和直径应经计算确定。当管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 m左右设置一处通气设施。

（2） 7.3.2条：出水管道应进行包括水力损失及水锤在内的水力计算。

（3） 9.4.1条：有可能产生水锤危害的泵站，在各设计阶段均应进行事故停泵水锤计算。

（4） 9.4.2条：当事故停泵瞬态特性参数不能满足下列要求时，应采取防护措施：

① 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；

② 立式机组低于额定转速40%的持续运行时间不应超过2 min；

③ 最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍；

④ 输水系统任何部位不应出现水柱断裂。

2.2 《室外给水设计标准》的有关规定

（1） 7.3.7条：输水管道系统的水锤防护设计宜综合采用防止负压和减轻升压的措施。

（2） 7.3.8条：输水管道系统中用于水锤控制的管道空气阀的位置、型式和口径，应根据瞬态水力过渡过程分析计算，并结合7.5.7条的规定综合考虑确定。

（3） 7.5.7条：输水管（渠）道隆起点上应设通气设施，管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 m左右设一处通气设施。配水管道可根据工程需要设置空气阀。

3 水锤计算边界条件

3.1 泵端边界条件

在水力过渡过程中，连续方程、水头平衡方程、负特征线方程、水泵机组惯性方程与水泵全特性方程构成了同型号水泵并联的泵端边界条件。

3.2 水柱分离模型

在本文研究中，将发生水柱分离之前和水柱弥合之后的水流视作连续流体，采用特征线法进行水锤计算，而一旦发生水柱分离，则按照水柱分离数学模型进行计算，此时分离水柱之间的体积全部由蒸汽填充，其内部压力等于水的汽化压力。

3.3 空气阀边界条件

当管道内压力低于大气压时，吸入空气，而当管道中压力上升，高于大气压时，排出空气。防水锤型空气阀有两个浮筒：一个大浮筒和一个小浮筒，分别负责低压快速进气和高压慢速排气，可有效防护水锤。

3.4 上下游恒定水位池边界

对于容积大的水池（或水库），短时间内池水位（或库水位）是不会发生变化的，即管道入口处的水池水头为常数，如图1所示。

上游为恒定水位水池的边界方程：

Hu=HR1-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（1）

下游为恒定水位水池的边界方程：

Hd=HR2-（1+ζ）Qp|Qp|2gA2（2）

式中：HR1为上游水池水面与基准线的高差，m；HR2为下游水池水面与基准线的高差，m；Hu为上游水池出口处的测压管水头，m；Hd为下游水池进口处的测压管水头，m；Qp为管道流量，m3/s；A为管道过流面积，m2；ζ1和ζ2分别为上、下游水池出口水头损失系数。

当管道流速水头和进口阻力水头损失系数较小而可以忽略时，上下游为恒定水位，水池的边界方程可简化为

Hu=HR1

Hd=HR2（3）

4 模型建立

4.1 浮船泵站及通岸工程

（1） 浮船泵站管道组成。浮船泵站过水管道由圆管、渐变管、弯头、“Y”形摇臂组成。

（2） 通岸管路。通岸工程将浮船泵站连接上岸，由“Y”形摇臂、圆管和跳船组成。

4.2 管道基本参数及高程线

枯木河船坞泵站供水系统中浮船泵站后接输水管道，全长861.245 m，管壁厚度10 mm。泵站出水管线纵向高程如图2所示。

4.3 管道水头损失

管道内壁摩阻水头损失对管道系统输水特性有重要影响，本文采用Colebrook-White近似公式计算水头损失：

1f=-2lgε/D3.7+2.51Ref（4）

式中：f为Darcy-Weisban摩擦系数；ε为管道内壁粗糙度，此处取2.5×10-5 m；雷诺数Re=vDγ；D为管道内径。

4.4 水锤波速计算

水锤波速是影响水锤最大、最小压力的主要因素之一，根据其定义可知，水锤波速主要与水的压缩性和管道弹性有关：

a=14351+KD/（Eδ）（5）

式中：钢管道的弹性模量E=19.61×1010 N/m2。水的体积弹性模量K=19.6×108 N/m2，管道直径D=0.5 m，管道壁厚δ=0.01 m。计算可知管道中的水锤波速为a=1 172 m/s。

4.5 水泵及阀门

4.5.1 水泵参数取值

根据工程设计，拟选取YOS150-540型水泵。水泵稳态运行工况的计算分析中，只需给出水泵的基本性能参数即可。但在瞬态运行水锤计算分析中，还需给出水泵的转动惯量、摩擦扭矩、电机参数和转动比取值。

已知本次研究中水泵的转动惯量为3.72 kg·m2，电机的转动惯量为5 kg·m2。

配套异步电动额定电压为380 V，额定功率为185 kW。

摩阻扭矩τf取0.010405405 N·m，比轉速ns取60.75。

4.5.2 阀门类型

根据工程设计资料，管道系统中安装的阀门类型主要有3种：多功能水泵控制阀、空气阀和空气罐。

（1） 多功能水泵控制阀。

控制阀安装于水泵出口处，用于水泵正常启动和关闭时对水泵安全运行进行控制。控制阀的内径与管道内径相同，本次研究中，不同运行情况时控制阀运行各不相同，将在后面章节分析中具体给出。

（2） 空气阀。

空气阀主要用于排出管道中的空气，以及负压时从外界向管道中进气，保护管道系统。

（3） 空气罐。

空气罐主要用于保证系统的平稳用气，降低气流脉动的作用，从而减小系统压力波动，在系统内水压轻微变化时，能保证系统的水压稳定，保护管道系统。

4.6 边界条件

根据工程设计方提供的资料，可查得泵站运行最高水位1 225.60 m，设计水位1 216.00 m，设计枯水位1 212.00 m，出水池最高水位1 305.30 m，设计水位1 305.00 m，最低水位1 302.90 m。

5 稳态运行计算

5.1 泵站正常运行时工况点计算

根据工程实施方案，分别对泵站输水系统在3种水位下正常运行时的水泵工况点进行校核计算，计算结果见表1。

从计算结果可知，由于水库水位变幅较大，水泵型号按照最大净扬程工况确定，当输水系统在最小净扬程工况下运行时，流量大于设计流量，但未出现电机超载现象，因此水泵机组可以正常运行。

5.2 稳态计算结果

分别对泵站输水系统在3种水位正常运行时的工作压力进行计算，计算结果见图3～5。

5.3 小 结

根据泵站输水系统正常工作压力计算结果可知，在3种水位下输水系统正常工作时测压管水头均在管顶高程线以上，可以安全运行。

6 水力过渡过程计算

泵站两台机组在3种水位下并联运行，分别对事故停泵后不采取防护措施和采取防护措施后引起的水力过渡过程进行计算。

6.1 无防护措施

在最大净扬程工况下，2台机组同时断电后，如果无防护措施，水泵机组持续倒转，水泵最大反转速度为-2 040 r/min，不符合规范要求，因此需要采取相应措施进行防护。

在最小净扬程工况下，2台机组同时断电后，如果不采取防护措施，输水系统压力升高不大，但是由于水流倒流输水管道，出现较大负压区，水泵机组持续倒转，不符合规范要求，因此需要采取相应措施进行防护。

在设计水位工况下，2台机组同时断电后，如果无防护措施，输水系统压力升高不大，但是由于水流倒流输水管道，出现较大负压区，水泵机组持续倒转，水泵最大反转速度为-1 944 r/min，不符合规范要求，因此需要采取相应措施进行防护。

6.2 有防护措施

在最大净扬程工况下，2台机组同时断电后，采用负压区加空气阀方案防护措施，多功能水泵控制阀3 s关闭80%，10 s关闭20%时，系统最大压力水头为147 m，是泵出口正常工作压力水头（98.29 m）的1.5倍，沿线最小压力水头线均大于管道高程，水泵最大反转速度为-1 834 r/min。系统最大、最小压力水头和转速均符合规范要求。

在最小净扬程工况下，2台机组同时断电后，采用负压区安装空气阀方案防护措施，多功能控制阀门关闭程序为3.0 s关闭80%，剩余20%开度10 s关完，系统最大压力水头为116.40 m，是泵出口正常工作压力水头83.88 m的1.39倍，沿线最小压力水头为-2.66 m，水泵最大倒转速为-1 679 r/min。系统最大、最小压力水头和转速均符合规范要求。

在設计水位工况下，2台机组同时断电后，采用负压区安装空气阀方案防护措施，多功能控制阀门关闭程序为3.0 s关闭80%，剩余20%开度10 s关完，系统最大压力水头为142.45 m，是泵出口正常工作压力水头96.25 m的1.48倍，沿线最小压力水头-2.09 m，水泵最大反转速度-1 849 r/min。系统最大压力、最小压力水头和转速均满足规范。

7 结 语

综合3种工况下的水锤防护措施，最终建议输水系统的水锤防护措施为：桩号0+003.050、0+104.538、0+201.441、0+301.479、0+412.788、0+510.274、0+650.862、0+774.513、0+853.503（共9处）均安装“快进慢排”防水锤型空气阀，空气阀进气孔径为100 mm，排气孔径为5 mm。管线上多功能控制阀门关闭程序为用3.0 s关闭80%，剩余20%开度用10 s关完。

工程使用的水泵多功能控制阀、防水锤型空气阀等水锤防护设备，工程正式运行前应由供货厂家对设备进行工作参数调试设置。

根据GB 50265-2022《泵站设计规范》9.4节内容，建议水泵出口取消安装止回阀，输水管道通径600 mm以下安装水泵多功能控制阀，600 mm 以上采用两阶段液控止回球阀。

参考文献：

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［10］ 李玲玲，张迪，张波，等.高扬程大型浮船取水泵站水锤防护措施探讨［J］.中国农村水利水电，2023（5）：136-140.

（编辑：胡旭东）