小舜江输水泵站液控蝶阀关阀时间及停泵方式改进

    1 工程概况
    绍兴市小舜江输水工程位于绍兴市汤浦镇冯家埭村。水泵输水系统的进口水库（汤浦水库）正常蓄水位为32m，死水位为12m；调节水库（达郭水库）最高调节水位70m，最低调节水位65m。工程任务根据净水量要求，利用夜间低谷电能从汤浦水库提水到调节水库（达郭），经调蓄后，由输水隧洞全天候连续向净化调节前池自流输水。取水隧洞总管全长672.4m，出水隧洞全长3912m，隧洞开挖洞径4.5m，衬后直径3.7m，素喷后洞径为4.3m，锚喷后洞径为4.2m，未衬段洞径近似为4.5m，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H52.7m（1＃、2＃水泵）、57.2m（3＃水泵）、49.7m（4＃水泵），设计流量Q5.0m3/s（1＃、2＃、4＃水泵）、5.3m3/s（3＃水泵），额定转速N＝500r/min，电机功率P=3500kW，水泵转矩m=5645kgf·m（1kgf=9.8N），转动惯量GD2=3817kgf·m2，最大几何扬程58m，此时泵的工作扬程为61m。两泵并联运行时管道阻力参数K=0.0236s2/m5。
    2 泵站特点及现存问题
    泵站特点：①运行方式：泵站是利用夜间低谷电能运行，每天晚上22：00开泵，到第二天上午8：00关泵，为“2用2备”。②水泵运行方式一直采用“关阀启泵，关阀停泵”的工作方式，即水泵出口阀完全关闭后再停泵。③液控阀关闭规律：快关时间为20s，总关阀时间100s，中间转折开度15°。原关阀时间是以控制水锤压力为主要目标，最大内水压力控制值72m，接近于水泵出口额定压力的1.2倍，满足“最高压不超过水泵出口额定压力的1.5倍”规范设计要求，并留有一定安全余量。
    存在问题：在停泵过程中，水泵及出口阀振动过大，尤其是阀门关闭至小角度时，振动非常剧烈。而小舜江输水泵站泵机组频繁启停，启停时激烈的水力振动不可忽略。而原关阀时间过长，特别小角度关阀关闭时间过长，此时阀门水头损失非常大（开度为15°时水头损失系数ξ＝200）。泵（特别是高扬程大流量的涡壳泵），长时间在极小流量运行时振动和噪声将会成倍增加。运行7年多来，工作阀门多次遭到损坏，泵检修频繁。为了解决或减小机组及阀门振动过大的问题，结合工程实际情况，优化工作阀门关闭规律，并对失电工况下水力过渡过程进行校核计算分析，以尽量减少水泵出口阀关闭时间为主要优化目标，并在停泵方式上进行改进。
    3 停泵方式分析及改进
    3.1 分析
    3.1.1 关阀时间
    提高压力控制值，来缩短关阀时间，特别要缩短小角度关阀时间。最后综合考虑取最大压力控制值为91m，首先必须满足输水管道的压力强度要求，同时仍满足最高压力不超过水泵出口额定压力的1.5倍的规范设计要求。
    3.1.2 停泵方式
    采用目前使用的“关阀停泵”的方式，难以解决停泵及关阀过程中的剧烈水力振动。根据水泵的工作特性分析：水泵动力中断之后在惯性作用下继续减速旋转，由于水泵的惯性一般比管道水流的惯性大，因而管道流速减小到零继而开始倒流时，水泵仍继续减速正转。只要在泵倒转之前完全关闭阀门就不会对泵性能造成影响。研究关阀程序就是要在停泵时保护水泵不致发生飞逸反转，又能使其在关闭最后阶段实现缓闭，以减少突然关闭造成的管路中正水锤，达到保护管路的目的。采用在阀门某一小角度时停泵只要确保泵机组不反转，即对泵机组的使用寿命没有影响，而且可减轻剧烈的水力振动，缩短剧烈振动的时间。结合泵站实际供水方式，正常停泵每天都在发生，而事故停泵毕竟是小概率事情，两者的控制值应有所区别。即正常停泵时保证水泵不反转，可确保对泵机组使用寿命没有影响，水锤正压应留有足够的安全余量，对输水管道几乎没有影响。事故停泵时不发生飞逸反转，水锤正压控制在安全范围内。
    3.2 采取的措施
    （1）快关时间20s，总关阀时间45s，中间转折开度15°。经计算机模拟计算：2台水泵（2＃与3＃）并联稳定运行，同时失电，出口阀按给定规律关闭时，水泵出口最大内压90.8mH2O，最大反转速度307r/min。
    （2）现水泵停泵方式：当出口阀关至12°时切断水泵机组电源，出口阀按以上给定规律完成关闭。经模拟计算单台水泵运行，按现停泵方式（3＃）水泵出口最大内水压力值（79.25m），且水泵不发生反转。经模拟计算2台水泵并联运行，按现停泵方式（3＃）时最大内水压力值较小，且水泵不发生反转。
    3.3　改造后效果分析
    （1）振动使用情况分析：原方式阀门从12°到全关闭需要运行时间为80s，泵及阀门剧烈振动时间为80s。现方式阀门从12°到全关闭只需要20s，但泵从12°起剧烈振动几乎立刻消失，相对原方式阀门剧烈振动时间缩短了60s。
    （2）改进措施也可达到一定的节能效果。
    4　结论
    利用抽水蓄能原理供水，每天频繁启停泵，故不应忽略停泵及关阀过程中剧烈水力振动。在确保事故停泵安全前提下，适当增大水锤控制值，合理缩短小角度关阀时间，并改变泵的停泵方式，实际运行证明，这些措施可有效减少机组、液控阀及连接管路的振动，延长泵机组及阀门的检修时间。