阀门小开度停泵方式防止水锤的实践总结

    1 工程概况
    绍兴市小舜江输水工程由取水隧洞、提水泵站、出水隧洞、达郭调节水库和输水隧洞等几部分组成，利用夜间低谷电能从汤浦水库提水到调节水库———达郭水库，经调蓄后，全天候连续向净水厂提供原水。出水隧洞纵剖面参见图1，出水隧洞出口位于达郭水库，泵站共有4台机组，其技术参数如下：水泵型号：YJG48-20I，设计扬程Hr：52.7ｍ（1＃、2＃水泵、）、57.2m（3＃水泵）、49.7m（4＃水泵），设计流量Qr：5.0m3/s（1＃、2＃、4＃水泵），5.3m3/s（3＃水泵），额定转速Nr：500r/min，电机功率Pr：3500kW，水泵转矩：Mn＝5645kgf·m（1kgf＝9.8N），转动惯量：GD2＝3817kgf·m2。2用2备，并联运行时管道阻力参数K＝0.0236s2/m5。最大几何扬程58m，此时泵的工作扬程为61m。

图1 出水隧洞纵剖面（单位：m）

    此类高扬程抽水泵站事故停泵时易发生水锤，现阶段最有效的解决办法是采用二阶段液控缓闭蝶阀降低水锤正压，防止水泵倒转。但往往会引起慢关（小角度）时间相对较长、泵及阀门的剧烈水力振动。本工程不应忽略停机及关阀过程中剧烈的水力振动，阀门开度选择特别重要，过小没有解决水力振动，过大易引起水泵倒转，影响泵的使用寿命，因此应该综合考虑水力振动与水锤的因素。
    2 水力振动
    水泵机组及阀门的振动情况见表1，出口阀θ－ξ（开度－水头损失系数）关系见表2。

表1 实测振动值情况分析

表2 出口阀θ－ξ关系

    阀门90°为全开状态，水泵机组最大允许振动值≤0.045mm。以上数据表明10°以下振动明显加强，开度越小，振动值增加越明显。
    从表2可知，阀门小于10°时水头损失系数呈几何级数增加，局部水力损失加大。
    综合上述在出口阀关闭到大于10°时水泵停机，可大幅度降低泵及阀门的振动值与水力损失。
    3 水锤方面
    水泵出口阀中间转折开度为15°，液控蝶阀分别关至12°、15°、18°时水泵断电的出口阀关闭规律优化选择计算见表3。

表3 出口阀关闭规律优化选择计算

    注：汤浦水库水位12m；达郭水库水位70m。单台水泵运行，正常停机（3＃）。空白处表示未发生反转。
    （1）经计算两台水泵并联运行，其中一台水泵正常停机3＃，其水泵出口最大内压和反转速度都要小于表3所列的工况。
    （2）由于水泵抽水扬程越大，断电后最大反转速度上升值越大；汤浦水库水位一定时，调节水库水位越高，或调节水库水位一定时，汤浦水库水位越低，水泵断电后输水系统中出现的最大内水压力值越大。因此，在小开度停泵计算中，选择该进、出口水库水位组合情况下，为水泵出口阀关闭规律的优化选择计算的控制情况。
    （3）考虑到出口阀关闭规律转折点开度为15°时，阀门总有效关闭时间较短，且当水泵断电前，阀门在小开度区域运行时间较短，水力振动较小，因此，阀门转折开度选定为15°。
    （4）正常停机时最大内压控制值为80m，水泵不反转；事故停机时（两台泵并联运行同时全失电）最大内压控制值为91m，水泵失电后的最大反转速度均小于其额定转速，不发生水泵叶轮飞逸破坏事故。
    由表3可知，水泵在出口阀关至12°时断电工况，水泵出口最大内压力较小，在控制值内，而且水泵不发生反转，对泵的使用寿命没有影响，明显优于其他角度。最后选择快关时间20s、总关阀时间45s，转折点开度为15°两段折线关闭规律，水泵机组在出口阀关闭至12°时水泵断电停机，这样可有效改善目前的水力振动现象，又把在正常停机时最大内压与反转速度控制到较小或不反转，而在事故停机时最大内压与反转速度满足控制要求。在汤浦水库水位12m，达郭水库水位70情况，3＃与2＃两台泵全失电情况下，阀门在给定规律下关闭，水泵出口最大内压为90.8m，最大反转速度-307r/min。
    4 结语
    类似工程可从水力振动方面初步选定阀门开度范围，后从液控蝶阀分别关至不同开度时水泵断电的出口阀关闭规律进行优化选择，最终选择最符合实际的阀门开度。需要注意的是，正常停机与事故停机时控制值应有所区别。