岩南沟泵站事故停机水锤模拟分析与防护

（山西省东山供水工程建设管理局 山西太原030000）

1 泵站概况

岩南沟泵站为东山供水工程二期支线线路首端取水的第一级泵站，其主要任务是将二期水源的水加压提至泵站出水池后，经输水管线自流至小寨二级泵站前池，设计年供水量5 483 万m3。供水系统由DN1800 引水总管、DN600 进水管、水泵机组、DN500出水管、DN1600 出水总管和出水池组成。泵站工程布置见图1。

泵站运行方式为：设计引水流量为1.25 m3/s 时，3 台水泵组合运行；设计引水流量为2.06 m3/s，5 台水泵组合运行；流量为1.25～2.06 m3/s 时，4 台水泵组合运行。

2 工程设计特性参数

1）水泵机组参数

泵站共配备7 台单级双吸DFSS400-6N/4A 型离心泵，5 工2 备，设计扬程129.3 m，设计流量0.412 m3/s，额定转速1 450 r/min，效率84%，功率800 kW，机组转动惯量40 kg·m2。

2）进、出水水位

泵站进水管与二期水源引水发电钢管相连，水库非汛期最高、最低取水位分别为852 m、840 m，汛期最高、最低取水位分别为848 m、840 m，出水池非汛期及汛期水位分别为965 m、962.5 m。

3）管线系统

图1 岩南沟泵站工程布置图

引水管线为DN1800 压力钢管，总长约928 m，水泵进水管为DN600 压力钢管壁厚6 mm，出水管为DN500 压力钢管壁厚6 mm，出水总管为DN1600 压力钢管后接出水池，管线长约2 305 m。

4）泵出口阀门

水泵出口安装DN500、PN2.5 MPa 重锤式液控止回蝶阀。其快、慢关可调参数见表1。

表1 重锤式液控止回蝶阀可调整参数表

3 初始恒定流工况校核

泵站初始恒定流工况计算的内容包括各种稳定运行工况条件下的水泵工作点参数和沿管线水压分布的计算，其计算结果可作为进行水力过渡过程计算的初始条件[1，2]。

对泵站5 台机组运行的恒定流工况进行计算，计算结果见表2。

5 台泵稳态运行时，水泵扬程115.49 m，流量0.46 m3/s，输水管线流量2.3 m3/s。最大压力出现在桩号1+951.48 处（此处为整个供水线路最低点），其值为180.97 m，整个系统中没有出现负压，可以正常运行，见图2。

4 事故停泵水锤及关阀水锤计算

以下选取最大流量时5 台机组突然同时断电作为最不利工况，分别进行了停泵-不关阀-无防护措施（工况1）、停泵-关阀-快关70°-慢关20°（工况2）、停泵-关阀-快关62°-慢关28°（工况3）3 种事故停泵过渡过程计算。

1）停泵-不关阀-无防护措施

结合图3、4 可以看出，最大压力出现在桩号1+951.48 处为213.95 m，是稳态运行压力的1.18 倍，无负压出现；事故停泵发生4.3 s 后水泵开始倒流，事故停泵6.7 s 后水泵开始出现倒转现象，最大倒流流量-0.43 m3/s，最大倒转转速-30 r/s，停泵后机组出现了较为严重的倒转和倒流现象，且倒转转速超过额定转速的1.2 倍，不满足《泵站设计规范》要求。

表2 初始恒定流计算结果

图2 5 台泵稳态运行管线压力包络线

图3 工况1管线压力包络线

图4 工况1流量、压力和转速随时间变化曲线

2）工况2 停泵-关阀-快关70°-慢关20°

水泵出口阀采用0～3s 快关70°，3～30s 全部关闭的两阶段关阀，其计算结果如图5、6。

由图可知该工况下，系统最大压力出现在桩号1+951.48 处为203.65 m，是稳态运行压力的1.13 倍，整个管线无负压。水泵最大倒流流量-0.39 m3/s，最大倒转转速为-26.54 r/s，为额定转速的1.09 倍。该阀门关闭规律下，系统最大压力、倒转转速均满足规范要求。

3）工况3 停泵-关阀-快关62°-慢关28°

图5 工况2管线压力包络线

图6 工况2流量、压力和转速随时间变化曲线

图7 工况3管线压力包络线

图8 工况3流量、压力和水泵转速随时间变化曲线

水泵出口阀采用0～3 s 快关62°，3～30 s 全部关闭的两阶段关阀规律，其计算结果如图7、图8。结果显示最大压力出现在桩号1+951.4 处为210.65 m，最大压力是稳态运行压力的1.17 倍，整个管线无负压出现。两阶段关闭泵出口阀后，水泵最大倒流流量-0.41 m3/s，最大倒转速度为-26.65 r/s，为额定转速的1.10 倍，该阀门关闭规律下，系统最大压力、倒转转速也满足规范要求。

5 结论及建议

根据最不利工况5 台机组全部断电停泵情况下3种工况的分析计算可知：

1）3 种工况下，管线最大压力均出现在线路最低点1+951.48 处、均无负压产生，且停泵后均产生了机组倒转、倒流现象。

2）在断电停泵不采取防护措施时，水泵倒转转速为额定转速的124%，不满足《泵站设计规范》要求。

3）采取两阶段关阀时，快关70°、慢关20°与快关62°、慢关28°两种工况均可减小管道内最大压力及机组最大倒转转速及倒流流量，使其符合《泵站设计规范》要求。

4）经优化比选，建议选择两阶段关阀0～3 s 快关70°、3～30 s 慢关20°作为泵站后期运行中事故停泵的水锤防护措施。