抽水泵站水锤分析计算及防护

陕西水利

ShaanxiWaterResourcesNo.5May，2019抽水泵站水锤分析计算及防护张

锐

（陕西省榆林市榆阳区红石峡供水站，陕西榆林719000）

［摘要］在水泵工作中若遭遇断电等突发情况，将在供水管道中形成超负荷的水锤压力，造成水泵和管

道破坏。以某抽水站三级泵站为例，采用特征线法对取水泵站进行水锤分析和计算，提出采用两阶段缓闭阀和空气阀消除水锤压力，可满足水锤防护要求。

［关键词］水泵；安全；水锤；水柱脱流；水锤防护［中图分类号］TV675［文献标识码］B

0前言

水锤是指在密闭管路系统(包括泵)内，由于流体流量急

2两阶段缓闭蝶阀（无空气阀）

当水泵断电后，管道中水流速度急剧减小，由于出口阀门

剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象，又称“水击”。其瞬间压力可大大超过正常压力，并经常产生破坏性影响。某抽水工程共四级加压泵站，各级泵站的扬程相近，其中一、二级泵站出水管道后接隧洞，虽然扬程相对较高，但出水管道较短，三、四级泵站为长距离管道输水，且泵站扬程高，其压力负荷相对较大。选取三级泵站为例进行水锤计算，复核系统的安全性，验证管路及防护系统布置的合理性。

拒动，出水管道及出水池中的水将向管道中倒流，引起机组倒转。在管道上不布设空气阀，只采用两阶段缓闭蝶阀，采用特征线法复核能否满足水锤防护要求。2.1

快关5s，全关15s

1泵站概况

三级泵站布置于整个输水干管起点，泵站通过直径为

图1

快关5s，全关15s水锤管路压力包络线

DN1400球墨铸铁管输水干管将水送至四级站前池，输水干管总长约14.91km。其中，泵站设计站上水位1008.0m，设计站下水位932.0m。共安装4台离心泵，其中3台工作，1台备用。单泵设计流量0.80m3/s，设计扬程100m，转速990r/min。按照相关设备制造厂商资料，机组转动惯量取500kg·m2。当3台工作机组同时断电时，引起的水锤压力最大，对系统造成的危害也最大。泵后阀门的快关时间需要根据阀门拒动工况下的流量变化进行初步确定，故先要进行阀门拒动的水力过渡模拟，在此基础上，初步确定阀门关闭规律，再根据计算结果进行调整，最终得到最理想的关闭规律，使系统的最大最小压力控制在管道承压限度之内的同时，满足机组的倒转要求。防护准则为：水泵机组的倒转转速不超过1.2倍的额定转速，且超过额定转速的持续时间不超过2min；系统最大压力不超过工作压力的1.3～1.5倍，最大负压不超过3m，且不能出现断流弥合水锤。

该工况下，水锤管路压力包络线见图1。水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压293.8m，最大负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。2.2

快关5s，全关30s

在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压270.1m，最大负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。2.3

快关10s，全关30s

在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压262.7m，最大负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。2.4

快关10s，全关60s

在该工况下，水泵机组不出现反转，管道中发生断流弥合

［收稿日期］2019-02-22

［作者简介］张锐（1979-），女，陕西榆林人，工程师，主要从事水利机电一体化供水系统及数字化控制工作等。

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第5期2019年5月-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。2.5

快关10s，全关120s

陕西水利

ShaanxiWaterResources2.6

快关10s，全关180s

No.5

May，2019水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压188.5m，最大负压

在该工况下，水泵机组最大反转转速-557r/min，管道中出现断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压122.3m，最大负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

阀门关闭的不同时间，具体工况见表1。

在该工况下，水泵机组最大反转转速-370r/min，管道中出现断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压133.9m，最大负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。

表1

缓闭阀门关闭正常工作最规律（s）5-155-3010-3010-6010-12010-180

大水头（m）

98.598.598.598.598.598.5

三级泵站只加两阶段缓闭阀水锤压力情况

最大压力是正常工作压力的几倍

2.9832.7422.6671.9141.3591.242

是否发生断流弥合

水锤是是是是是是

额定转速（r/min）990990990990990990

最大反转转速是否满足规范（r/min）无反转无反转无反转无反转-370-557

要求否否否否否否

最大水锤最小水锤压压力（m）293.8270.1262.7188.5133.9122.3

力（m）-10-10-10-10-10-10

3两阶段缓闭蝶阀和空气阀

以上计算说明，仅使用两阶段缓闭蝶阀难以满足水锤防护要

98.5m，最大正压197.3m，最大负压-5.6m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。3.5

快关10s，全关120s

在该工况下，水泵机组最大反转转速-403r/min，管道最大正常工作压力98.5m，最大正压128.2m，负压-3.5m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。3.6

快关10s，全关180s水锤管路压力包络线见图2。

求。根据规范要求，在管道上布置空气阀，每隔800m~1200m布置一个，管线布置波峰处加装空气阀，消除断流弥合水锤，减小负压。空气阀进气孔径约为管径的1/8~1/10之间，排气孔径为进气孔1/8~1/10。取进气孔200mm，排气孔20mm。空气阀共20个。3.1

快关5s，全关15s

在该工况下，水泵机组不出现反转，管道发生断流弥合水锤，最大正常工作压力98.5m，最大正压245.6m，负压-10m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。3.2

快关5s，全关30s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力98.5m，最大正压207.4m，负压-7.7m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。3.3

快关10s，全关30s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力98.5m，最大正压200.8m，负压-7.8m。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。3.4

快关10s，全关60s

在该工况下，水泵机组无反转，管道最大正常工作压力

表2

图2快关10s，全关180s水锤管路压力包络线

在该工况下，水泵机组最大反转转速-593r/min，管道最大正常工作压力98.5m，最大正压109.5m，负压-3m。在控制范围内，满足水锤防护要求。具体工况见表2。

三级泵站加两阶段缓闭阀和空气阀水锤压力情况

最大压力是正常工作压力的几倍

2.4932.1062.0392.0031.3021.112

是否发生断流弥合水锤

是否否否否否

额定转速（r/min）990990990990990990

最大反转转速是否满足规范（r/min）无反转无反转无反转无反转-403-593

要求否否否否否是

缓闭阀门关闭正常工作最大最大水锤压力最小水锤压力规律（s）5-155-3010-3010-6010-12010-180

水头（m）98.598.598.598.598.598.5

（m）245.6207.4200.8197.3128.2109.5

（m）-10-7.7-7.8-5.6-3.5-3

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第5期2019年5月陕西水利

ShaanxiWaterResources工作压力（91.3m）的1.05倍，在控制范围内。

No.5

May，2019为有效消除泵后压力管道水锤，可在每条水泵出水支管上均安装液控缓闭阀，在阀门处相应安装有伸缩节。为满足液压缓闭阀检修方便，在液压缓闭阀后出水支管上分别安装电动蝶阀和伸缩节各1套。阀门和伸缩节的公称压力根据水锤计算结果选定。

经水力过渡计算，可综合采用两阶段缓闭阀和空气阀消除水锤压力，满足泵站安全正常运行要求。

5结语

水锤现象在压力管路中，由于流体的流速剧烈变化而引起

4其它水泵水锤分析

同理，采用类似三级站的特征线水力计算方法，可求出一

一系列急骤地压力交替升降的水力撞击现象。管路中发生水锤现象时，随着压力的交替升降，液体分子质点将相应地呈现密疏状态交替变化。经分析计算，三级泵站在出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀时，10s关闭80%，180s关闭100%。在管道高点共布置20个排气阀，进气孔200mm，排气孔20mm。最大正压109.5m，为当地工作压力（98.5m）的1.11倍，水泵机组最大反转转速-593r/min，管道最大正常工作压力98.5m，最大正压109.5m，负压-3m，在控制范围内，满足水锤防护要求。采用相同方法，求出其它泵站水锤防护措施。所以，在该抽水站中，可综合采用两阶段缓闭阀和空气阀消除水锤压力，满足泵站安全正常运行要求。

级泵站出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀2s关闭80%，至60s关完。在出水管道布置两台复合式空气阀。最大正压135.9m，为当地工作压力（118.0m）的1.15倍，机组无倒转，在控制范围内。二级站出水管道上同样采用两阶段缓闭阀2s关闭80%，至80s关完。在出水管道布置两台复合式空气阀。四级站出水管（DN14000）采用两阶段缓闭阀10s关闭80%，至180s关完；在管道高点共布置6个排气阀，进气孔200mm，排气孔20mm。水泵最大反转转速-858r/min，最大正常工作压力87m，最大正压91.3m，最大负压-2.3m。最大正压126.4m，为当地

（上接第30页）

由图6可知：在隧洞开挖后，围岩中塑性区较大，易发生张剪破坏；而在隧洞锚喷支护后，围岩塑性区的范围明显减小，此时围岩屈服区在隧洞顶部的深度为1.63m，在隧洞左右两帮的深度分别为0.75m和0.77m，在隧洞底部的深度为1.52m，均小于锚杆的长度2.50m，均在支护范围内。

所采取的支护方案，并结合地勘报告提供的地质参数，采用Midas软件，建立了埋深约130m左右的Ⅳ类围岩发电隧洞开挖支护数值模型，对该隧洞开挖后和支护后的位移、主应力、塑性区及屈服深度，还有喷射混凝土主应力和锚杆轴力进行模拟计算，并对结果进行分析，结果表明采取的支护设计方案是合理的，支护后的围岩是稳定的，支护设计参数可以满足要求。

4结论

根据隧洞出口段或临近出口段的围岩类型和特征以及

（上接第32页）

度较高；结合改进蝙蝠算法对建立的模型进行计算，可以达到快速收敛的目的。

2）使用建立的方法对实际工程中的重力坝结构进行优化设计，优化后的重力坝非溢流断面面积为190.8m2，与优化前混凝土面积减少约14.82%，使用ANSYS对优化结构的重力坝安全系数进行模拟，安全系数为6.61，满足工程要求。

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