袁 芳，劉志勇，張 陽

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065;2.武漢大學，湖北 武漢 430072)

1 概述

浮船泵站適用于水位變化幅度為10～35m，枯水期水深大于1.5m，河床穩(wěn)定、河道水流平穩(wěn)、風浪較小、停泊條件良好的取水工程[1]，具有制造簡便、施工周期短、造價低等優(yōu)點。相較于傳統(tǒng)取水泵站，浮船取水水質(zhì)較好，安全可靠，不受水位變化、漲落頻率變化等因素影響[2]。

根據(jù)近些年國內(nèi)浮船泵站的文獻資料顯示，浮船泵站的研究主要為在水利、礦山等行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用研究[3- 7]、設(shè)計參數(shù)分析[8- 10]和后期管理運行研究[11]。而泵站水錘防護措施研究則主要針對地面泵站，如高揚程大流量的泵站工程[12]、長距離大流量高揚程的輸水管線[13]等工程。

本文針對高壓力下的大型浮船泵站，以降低水錘壓力對浮船系統(tǒng)的沖擊為目標，結(jié)合實際案例，采用數(shù)值模擬的計算對比分析方法，研究空氣罐不同布置位置和增加中間止回閥后對泵站系統(tǒng)水錘壓力的影響。

2 工程概況

該浮船泵站位于金沙江右岸文化溝下游1.5km處，設(shè)計輸水流量1.32m3/s，采用浮船式泵房，泵房內(nèi)布設(shè)6臺臥式多級離心泵(4用2備)，單機流量0.33m3/s，設(shè)計揚程362.76～385.36m，單機功率1800kW，總裝機10800kW。浮船泵站采用旋臂式，通過3根旋臂與岸上固定連接，主旋臂長50m，出水管道為單根DN1000鋼管，沿山坡山脊線布置，接入二級泵站進水前池，固定管線長810m，在樁號A0+056、0+576、0+690處設(shè)空氣閥。

3 水錘防護措施確定

3.1 水力過渡過程計算

首先采用特征線方法對整個管道輸水系統(tǒng)進行水力過渡過程計算，包括管道內(nèi)點及與管道連接的泵裝置中的各部分邊界點。經(jīng)計算，輸水系統(tǒng)初始恒定流計算結(jié)果如下：

(1)在相同的運行臺數(shù)下，凈揚程越小，水泵流量越大；在相同的凈揚程下，水泵運行臺數(shù)越多，單泵流量越小，但總流量越大，由于輸水管線較短，不同運行臺數(shù)時的水泵工作點變化不大；在設(shè)計凈揚程、設(shè)計運行臺數(shù)(4臺)下，單泵流量為0.379m3/s，水泵工作點位于高效區(qū)內(nèi)；總供水流量為1.514m3/s，滿足供水流量需求。

(2)在不同水位組合和不同水泵運行臺數(shù)下，全線測壓管水頭線均在管頂線以上，無負壓出現(xiàn)。

在上述初設(shè)條件下，對無防護措施情況下的事故停泵水錘壓力進行計算，得出結(jié)論：在無水錘防護措施的條件下，發(fā)生4臺事故停泵、泵出口閥拒動時，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不滿足GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》中的要求；管線中有汽化壓力出現(xiàn)，但單點的最大汽化體積較??；管線中的最大水錘壓力為初始恒定流壓力的1.20倍，滿足最大水錘壓力控制標準。因此，本系統(tǒng)的事故停泵水錘防護主要是解決水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超標和部分管段的負壓超標問題。

3.2 防護措施確定

為將機組的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和管線中的最大、最小水錘壓力控制在水錘防護標椎以內(nèi)，本次擬定3種不同的水錘方案進行計算比較，即：防水錘型空氣閥方案、單向調(diào)壓塔+防水錘型空氣閥方案和空氣罐方案。經(jīng)過計算對比，最終選定防負壓效果最好的空氣罐為本項目水錘防護措施，具體如下：

(1)泵出口閥3s線型關(guān)閉。

(2)泵后出水母管上安裝空氣罐，空氣罐總?cè)莘e20m3，初設(shè)水體7.36m3，初設(shè)12.27m3，補水管直徑400mm，罐體直徑2.5m，罐體高度4m，初始水深1.5m。

4 空氣罐安裝位置對水錘壓力的影響

高壓力大型浮船泵站的設(shè)計需注意以下幾點：

(1)合理布置，盡量減小船體面積及高度，確保船體穩(wěn)定性。目前已建的浮船泵站多為整體式布置，即機組、配電、控制、辦公管理等所有設(shè)備均集中布置在船上，船體多為2～3層，整體高度8～12m。本項目擬定將配電、控制和辦公設(shè)備布置在岸上，船上僅布置水泵機組及其附屬閥件等設(shè)備，以此減小船體面積和船體高度。

(2)高壓力下，浮船泵站的關(guān)鍵技術(shù)點為旋轉(zhuǎn)接頭處的承壓能力和密封技術(shù)。本項目運行水頭高達385m，設(shè)計壓力等級6.4MPa。浮船泵站運行過程中，其旋轉(zhuǎn)接頭需保證在正常運行和事故停泵時的旋轉(zhuǎn)功能和密封性能良好。由于事故停泵時的水錘壓力大于運行時的壓力，故應(yīng)采取措施將旋轉(zhuǎn)接頭及其下游系統(tǒng)的壓力盡可能降到最低，并盡力阻止水錘波通過旋臂傳遞至船體及其設(shè)備。

基于以上2方面，對空氣罐不同布置位置情況下的水錘壓力進行模擬計算，同時研究增加中間止回閥后對水錘波傳遞的影響。

4.1 空氣罐布置在泵后的水錘壓力計算

影響空氣罐水錘防護效果的主要因素包括：初始水量、初始氣體體積和連接管直徑。空氣罐必須具有足夠的初始水量，保證在停泵后的壓力下降階段向主管內(nèi)補水；又必須具有足夠的氣體體積，以滿足壓力升高時罐內(nèi)氣體被壓縮，容納進入到空氣罐內(nèi)的高壓水；同時，必須具有合適的連接管直徑，既要保證罐內(nèi)水體能及時補充到主管中，又不至補入過多水體，導致空氣罐容積過大[14]。

考慮到在水泵出口設(shè)置空氣罐后，停泵時空氣罐內(nèi)的水將倒流回進水池。因此，為盡量減小空氣罐容積，應(yīng)盡可能縮短泵出口閥的關(guān)閉時間，本次按泵出口閥3s線性關(guān)閉考慮。根據(jù)空氣罐不同參數(shù)的試算結(jié)果，擬定罐體直徑2.5m，罐體高度4.0m，初始水深1.5m，補水管直徑0.4m。經(jīng)模擬計算，4臺泵在不同凈揚程下全部事故停泵時的計算結(jié)果見表1。

由表1可知，在空氣罐防護、泵出口閥3s線性關(guān)閉、初始4臺運行全部事故停泵的條件下，機組的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大水錘壓力和最小水錘壓力均滿足水錘防護的要求。其水泵特征量的變化過程、沿線壓力包絡(luò)線、泵出口閥后點壓力的變化過程、空氣罐內(nèi)水深變化過程如圖1所示。

從圖1(a)中可以看出，水泵在停泵后的0.27s開始倒流，在停泵后的第2.28s開始倒轉(zhuǎn)。水泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的0.25倍，最大倒泄流量為額定流量的0.96倍。水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速滿足GB 50265—2010中規(guī)定的“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”要求。

表1 空氣罐防護的事故停泵水錘計算結(jié)果 單位：m

圖1 事故停泵水力過渡過程計算結(jié)果(4臺運行全部停，泵后空氣罐、關(guān)閥，最高凈揚程)

從圖1(b)(c)中可以看出，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為466.72m，是管線中的最大水錘壓力，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.21倍；管線中的最小水錘壓力為1.11m，無負壓出現(xiàn)，安裝的空氣閥在停泵過程中未動作。

從圖1(d)中可以看出，當管線中的水頭低于空氣罐內(nèi)的水頭時，空氣罐向管道內(nèi)補水；當管線中的水頭高于空氣罐內(nèi)的水頭時，管道內(nèi)的水流向空氣罐?？諝夤迌?nèi)的初始水深為1.5m，最小水深為0.73m，最大水深為1.87m。

4.2 空氣罐布置在岸邊浮船旋轉(zhuǎn)接頭下游側(cè)的水錘壓力計算

為了進一步減小停泵時水錘波對浮船旋轉(zhuǎn)接頭的壓力沖擊，將空氣罐布置在岸上固定管道的起點后。初擬空氣罐尺寸與4.1節(jié)相同，將補水管直徑調(diào)整為0.3m。經(jīng)模擬計算，該方案下4泵運行，全部同時停泵的事故停泵水錘計算結(jié)果詳見表2，其沿線壓力包絡(luò)線、泵出口閥后點和空氣罐安裝點壓力的變化過程如圖2所示

從圖2中可見，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為424.30m，是管線中的最大水錘壓力，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.10倍；空氣罐安裝點的最大水錘壓力為392.41m，為該點初始恒定流壓力353.91m的1.11倍；管線中的最小水錘壓力為-0.36m。

表2 調(diào)整空氣罐位置后的事故停泵水錘計算結(jié)果 單位：m

圖2 事故停泵水力過渡過程計算結(jié)果(4臺運行全部停，岸邊空氣罐，關(guān)閥，最高凈揚程)

4.3 增加中間止回閥后的管道水錘模擬計算

為盡可能減小停泵水錘波對船體及其設(shè)備造成沖擊，在岸邊空氣罐與旋轉(zhuǎn)接頭之間安裝緩閉止回閥，口徑與主管直徑相同(DN1000)。首先對中間止回閥的關(guān)閉規(guī)律進行計算分析，再以該關(guān)閉規(guī)律為前提對空氣罐設(shè)置的必要性進行分析。

4.3.1中間止回閥關(guān)閉規(guī)律確定

經(jīng)過模擬計算，該方案在最高凈揚程下，4泵運行，全部同時停泵、中間止回閥不同關(guān)閉規(guī)律的事故停泵水錘計算結(jié)果見3。從表3可知：

(1)與無中間閥相比，中間止回閥關(guān)閉的速度越快，水泵出口閥點的最大水錘壓力越??；當中間止回閥的關(guān)閉速度為15s線性關(guān)閉時，水泵出口閥后點的最大、最小水錘壓力與無中間閥的情況基本相同。說明中間閥的關(guān)閉可阻止水倒流后產(chǎn)生的正壓波向泵船傳播。

(2)中間閥關(guān)閉速度越快，其上游的最小水錘壓力越小。說明水開始倒流后，中間閥不合理的快速關(guān)閉會導致其上游點(泵船側(cè))出現(xiàn)較大的壓力下降，甚至出現(xiàn)汽化壓力。

(3)由于空氣罐的穩(wěn)壓作用，中間閥的關(guān)閉速度對中間閥下游(出水池側(cè))點水錘壓力的影響很小。

(4)根據(jù)計算結(jié)果，建議中間止回閥采用2階段關(guān)閉：快關(guān)3s-80%(3秒關(guān)閉閥門開度的80%)，慢關(guān)12s-20%(12秒關(guān)閉閥門開度剩余的20%)。

4.3.2空氣罐設(shè)置的必要性分析

設(shè)置中間止回閥后，采用快關(guān)3s-80%，慢關(guān)12s-20%的2階段關(guān)閉規(guī)律后，對有無空氣罐時的水錘壓力進行計算對比。經(jīng)計算，在最高凈揚程下，4泵運行，全部同時停泵、有無空氣罐條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果對比詳見表4。

從表4可知，僅僅設(shè)置中間止回閥不能消除管線中的水柱分離，水泵出口仍有較大的水錘壓力，且壓力波動的幅度較大。因此，空氣罐的設(shè)置是必要的。

4.3.3不同凈揚程下的水錘壓力結(jié)果

根據(jù)以上計算分析，以設(shè)空氣罐、中間止回閥的防護方案為前提，采用上述關(guān)閉規(guī)律、計算4臺泵停泵時不同凈揚程下的事故停泵水錘壓力，計算結(jié)果見表5，其沿線壓力包絡(luò)線、泵出口閥后點、中間閥上游點(泵船側(cè))、中間閥下游點(出水池側(cè))的壓力變化過程如圖3中的(a)(b)。

表3 中間止回閥不同關(guān)閉規(guī)律的事故停泵水錘計算結(jié)果 單位：m

表4 有無空氣閥的事故停泵水錘計算結(jié)果對比 單位：m

圖3 事故停泵水力過渡過程計算結(jié)果(4臺運行全部停，岸邊空氣罐，中間閥，最高凈揚程)

表5 不同凈揚程下的事故停泵水錘計算結(jié)果 單位：m

從圖3中可知，水泵出口閥后點的最大水錘壓力為393.25m，為該點初始恒定流壓力385.36m的1.02倍；中間閥下游點(出水池側(cè))的最大水錘壓力為391.97m，為該點初始恒定流壓力353.91m的1.11倍；管線中的最小水錘壓力為-0.18m。

5 結(jié)語

經(jīng)過對本工程的計算對比分析可知，對于高壓力大型浮船泵站，水錘防護措施采用“泵后止回閥+岸邊空氣罐+中間止回閥”方案，防護效果較好。空氣罐設(shè)置在岸邊旋轉(zhuǎn)接頭后可在一定程度上降低泵后的最大水錘壓力。浮船岸邊旋轉(zhuǎn)接頭后設(shè)置中間止回閥不能取代空氣罐的水錘防護功能，但可以一定程度阻止水倒流后產(chǎn)生的正壓波向泵船傳播，泵出口的水錘壓力有所降低，且泵船與中間止回閥之間管段的壓力波動持續(xù)時間大大縮短，有利于泵船的穩(wěn)定。

本次研究是基于初步設(shè)計的理論研究，施工前應(yīng)根據(jù)最終的工程布置、設(shè)備參數(shù)等進行復核計算，確保工程建設(shè)的準確性。