新建卧式双吸双级离心泵停泵水力过渡过程分析

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INSTALLATION
2023.7
刘少锋
（山西博科慧通科技有限公司 太原 030006）
摘 要：为确保新建泵站的供水安全，本文基于梯级供水泵站水资源调度运行分析决策支持平台，对卧式双吸双级离心泵停泵水力过渡过程进行数值模拟和计算分析，对1/2台水泵向三级泵站蓄水池供水两种情况下的水锤问题进行了探讨，并提出了有针对性的防护措施和建议。

关键词：泵站 卧式双吸双级离心泵 停泵水力过渡过程 数值模拟 水锤
中图分类号：TU991.39 文献标识码：B 文章编号：1002-3607（2023）07-0071-02
新建卧式双吸双级离心泵停泵水力过渡过程分析
1 工程概况
郭壁供水改扩建工程位于山西晋城市泽州县境内，改扩建后的郭壁供水工程供水能力将达到城镇生活供水2920万m 3/a，农业灌溉供水746万m 3/a。

本工程主要建设内容有：新建水源地工程、新建一级泵站及管道工程、新建东属2万m 3蓄水池、新建北石店输水支管、新建35kV 双回输电线路、改造一、二级提水泵站及10kV输电线路、扩建改造三级泵站和焦庄变电站[1]。

新建一级泵站位于原一级泵站西偏北100m处，主、副泵房采用“一”字形布置，安装6台水泵（4用2备）， 提水总流量1.12m 3/s。

水泵型号为YXKK500-4卧式双吸双级离心泵，水泵安装高程549.8m，水泵额定功率1000kW，额定转速1480r/min，水泵转动惯量为28kg/m 2（工频）/17.5kg/m 2（变频），对应的效率为95.7%（工频）和93.6%（变频）。

管道包括压力管道和输水管道两部分：压力管道从新建一级泵站水泵至新建一级泵站出水池，采用双趟DN1000钢管，管线长396m；输水管线从新建一级泵站出水池至原三级泵站城镇供水机组进水池，采用双趟DN1000球墨铸铁管，管线长1600m，出水池采用钢筋混凝土矩形结构。

2 停泵水力过渡过程模拟
2.1 模拟计算原因
在长距离、高水头的输供水过程中，一旦中途流速因为路径变化发生改变，就会引起管路中的水流发生较大的波动，导致水流压力出现剧烈变化，这一现象称为泵站水锤或水力过渡过程。

水锤问题将严重影响泵站的供水安全，通过合理的技术手段对本站供水水锤问题进
行准确的模拟分析，并提出有针对性的防护措施是目前新建、扩建泵站工程的首要任务 [2-3]。

2.2 模拟工况
本项目基于梯级供水泵站水资源调度运行分析决策支持平台进行数值模拟。

新建一级泵站共配备6台（4用2备）卧式双吸双级离心泵，本次模拟的工况主要分为两种：一台水泵和两台水泵向三级泵站蓄水池供水时，包括泵站无阀防护下的过渡过程，泵站两阶段缓闭蝶阀关闭时间和角度以及泵站两阶段缓闭蝶阀及进排气阀联合防护的模拟计算。

2.3 模拟初始和边界条件
（1）初始条件：稳态运行过程中的管路的水头、流量。

水泵的扬程、流量、转速、转矩等参数作为发生水锤现象前的初始条件参数。

（2）边界条件：在泵站系统中，将管路起始一端边界值作为水泵特性曲线，利用水头平衡和水泵机组惯性方程组成的非线性方程组描述水泵的边界条件。

根据水泵全特性曲线方程、水泵机组惯性方程和水泵出口处特性方程，可得出泵出口管路在各种工况下的计算方程。

3 模拟结果分析
3.1 1台水泵运行工况模拟
1台水泵向三级泵站蓄水池供水时突然停泵后水锤现象模拟计算结果见表1。

从表1中可知：
（1）当无阀门操作时，管路中所受的最大正压力、最大压力和最大倒转转速分别为258.72m、−7.99m和1749.6r/min，最大正压力和最大倒转转速分别为额定值
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的1.12倍和1.18倍，均满足规范设计要求，但是管路中所受最大负压无法满足规范设计要求。

因此，综合考虑后决定采用两阶段液控蝶阀来改善管路中最大负压的不利情况，从而达到防止水锤发生的效果。

（2）在利用两阶段液控蝶阀防护后，管路中的最大压力和水泵最大倒转转速仍为258.74m和−1749.6r/min，满足设计规范要求，然而，在断面10（桩号0+340.7）、断面11（桩号0+370.2）处，仍然出现了−7.99m的最大负压力，此处仍然可能发生水锤现象，因而在两阶段液控蝶阀基础上，决定在10断面处增加进排气阀（口径大小为DN200，进气和排气流量系数分别为0.95和0.05）对管路进行联合防护。

（3）当采取两阶段液控蝶阀+进排气阀进行联合防护后，压力管路最大正压、最大负压、最大倒转转速分别为265.47m、−0.69m和−1750.2r/min，均满足规范设计要求，表明采取的防护措施合理有效。

均满足规范设计要求，表明采取的防护措施合理有效。

表1 1台泵站停泵水力过渡过程计算结果
运行工况最大正压/m 最大负压/m 最大倒转
转速/
(r·min -1)转速为零时刻/s 流量为零
时刻/s
额定压力/m 最大倒转转速与额转速的比值最大正压与额定压力的比值无阀
258.72-7.99
-1749.6 1.10.3231.48-1.18 1.12液控蝶阀258.73-7.99-1749.65720231.48-1.18 1.12液控蝶阀
加进排气阀
265.47-0.69-1750.2
57
20
231.48
-1.18
1.15
表2 2台泵站停泵水力过渡过程计算结果
运行
工况最大正压/m
最大负压/m 最大倒转转速/(r·min -1)转速为零时刻/s 流量为零时刻/s 额定压
力/m
最大倒转转速与额转速的比值最大正压与
额定压力的
比值
无阀
260.15-12.28
-1776 1.20.4231.48-1.2 1.12液控蝶阀260.14-12.28-1776 1.20.4231.48-1.2 1.12液控蝶阀
加进排气阀
266.29-0.075-1768.2
1.2
0.4
231.48
-1.19
1.15
3.2 2台水泵运行工况模拟
2台水泵向三级泵站蓄水池供水时突然停泵后水锤现象模拟计算结果见表2。

从表2中可知：
（1）当阀门不进行操作时，管路最大正压、最大负压和最大倒转转速分别为260.15m、−12.28m和−1776r/min，仍然是最大负压不满足规范设计要求，且最大负压为1台运行时的1.54倍。

因此，也考虑采取两阶段液控蝶阀对管路中最大负压的不利工况进行防护，以此来改善管路中最大负压不利工况。

（2）当采取液控蝶阀防护后，管路中的最大压力和水泵最大倒转转速仍为260.14m和−1776r/min，满足设计规范要求。

然而，在断面10（桩号0+340.7）、断面11（桩号0+370.2）处，仍然出现了−12.28m的最大负压力，此处仍然可能发生水锤现象，因此在两阶段液控蝶阀基础上，也决定在10断面处增加进排气阀（参数与1台时相同）进行联合防护。

（3）两台水泵并联运行时，采取两阶段液控蝶阀+进排气阀进行联合防护后，压力管路最大正压、最大负压、最大倒转转速分别为266.29m、−0.075m和−1768.2r/min，
3.3 讨论及建议
（1）该扩建泵站工程的最不利工况为一级泵站两台水泵向高位出水池供水工况。

（2）无论是在无阀门操作还是采取在两阶段液控蝶阀控制时，压力管路中的最大正压和最大倒转转速均满足规范要求，但最大负压不满足规范要求。

（3）在发生停泵水锤泵出口两阶段液控蝶阀加进排气阀联合防护工况下，单泵及两台水泵并联运行时，压力管路最大正压和最大倒转转速满足规范要求；最大负压满足规范要求，但还是存在一定的负压。

（4）在发生停泵水锤泵出口两阶段液控蝶阀加进排气阀联合防护工况下，单泵运行时，泵出口处桩号为0+340.7、0+370.2的断面，管段负压较大，建议加强防护；两台水泵并联运行时，泵出口处桩号为0+340.70、 0+370.20的断面，管段负压较大，建议加强防护。

4 结语
基于梯级供水泵站水资源调度运行分析决策支持平台对郭壁供水改扩建工程的一级泵站卧式双吸双级离心泵停泵水力过渡过程进行数值模拟分析，结果表明：在发生停泵水锤泵出口阀门拒动作工况或者停泵水锤泵出口两阶段液控蝶阀优化关闭工况情况下，单泵及两台水泵并联运行下的最大负压不满足规范要求，需要在发生停泵水锤泵出口两阶段液控蝶阀加进排气阀联合防护，且仍需要在部分负压管段进行加强防护。

参考文献：
[1] 吴鑫昊，苏沛兰，吴建华，等.郭壁改扩建供水工程水力过渡的数值模
拟[J].水电能源科学，2022，40（6）：110-113，126.[2] 赵娟，白丹，白绵绵.长距离引水管道供水系统水力过渡分析及防护研究[J].
陕西水利，2020（8）：131-133，144.
[3] 肖学，李传奇，杨幸子，等.梯级泵站事故停泵水力过渡过程研究[J].人民黄河，2020，42（7）：131-135.
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