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中型串聯(lián)增壓泵站的水錘分析及防護(hù)措施

文檔作者：史仁朋文檔來源：山東省棗莊市水利勘測設(shè)計院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月15日
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設(shè)計施工水利規(guī)劃與設(shè)計2016年第11期
DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2016．11．040
中型串聯(lián)增壓泵站的水錘分析及防護(hù)措施
史仁朋
(山東省棗莊市水利勘測設(shè)計院，山東棗莊277800)
摘要：滕州供水管線距離長、供水量大，中途需設(shè)增壓泵站，設(shè)計采用了投資少、占地小、能耗省的管道串聯(lián)增
壓模式。本文針對中型串聯(lián)增壓泵站的特點(diǎn)，分不同工況對各泵站失電水錘進(jìn)行了分析研究，提出相應(yīng)的水錘防
護(hù)措施。
關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)；串聯(lián)泵站；水錘；分析；防護(hù)
中圖分類號：TV67 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-2469(2016)ll-0127·04
棗莊市續(xù)建配套工程中的滕州供水單元工
程，其任務(wù)是實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線一期工程干線
在滕州市的分配，解決干線分水與用戶用水之
間的時空分配矛盾。滕州供水單元的設(shè)計引水
流量為2．455m3／s，引水量7000萬m3／a，引水
時間330天，35天非引水期采用尚善水庫調(diào)節(jié)
供水。
1工程設(shè)計
滕州供水單元利用新建暗渠自南四湖上級湖引
水，供水期內(nèi)通過甘橋泵站(A站)、東滿莊泵站
(B站)、邢莊泵站(c站)及干支管向用水戶供水。
三座泵站位于干管的樁號分別為0+000、6+174
和16+534。泵站機(jī)組全部采用臥式雙吸泵，總裝
機(jī)1350KW。甘橋泵站自引水管道取水，需設(shè)進(jìn)水
池，采用正向進(jìn)水。東滿莊及邢莊泵站為管道中
途加壓泵站，整個系統(tǒng)采用樹狀管網(wǎng)密閉管道，
雙管敷設(shè)，中間每隔一段距離設(shè)聯(lián)通管。主管道
沿線設(shè)33處(66個)進(jìn)排氣閥，其中復(fù)合進(jìn)排氣
閥26處(52個)，彌合水錘預(yù)防閥7處(14個)。
泵站全部采用變頻運(yùn)行，進(jìn)出水管均設(shè)壓力傳感
器、檢修閥，站后出水管設(shè)二階段液控止回閥。
供水支線共7條輻射32個工礦企業(yè)。管網(wǎng)布置及
設(shè)計指標(biāo)見滕州供水單元管網(wǎng)樹狀圖(330天)
圖1。
2泵站水錘分析
泵站在運(yùn)行中發(fā)生的最大安全隱患是水錘
破壞，發(fā)生水錘破壞的情況一般為事故停泵、
爆管及違規(guī)操作開停水泵及閥門等造成的，其
中事故停機(jī)時發(fā)生的水錘對管道系統(tǒng)的破壞最
為嚴(yán)重。因此必須對其工況下的管道水力過渡
過程進(jìn)行分析研究，為水錘的防護(hù)提供技術(shù)
支撐。
2．1穩(wěn)態(tài)計算
三座泵站及管路系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下的水力坡
降(穩(wěn)態(tài))計算成果見圖2，圖中黃線代表管道中心
線，藍(lán)線代表壓力水頭線。
2．2瞬態(tài)計算
三級泵站串聯(lián)加壓供水，考慮每座泵站均有
失電的可能性。則計算工況分為A、B、C同時失
電、僅A失電、僅B失電、僅C失電、A和B同
時失電、A和C同時失電、B和C同時失電共7
種不利工況。對整個系統(tǒng)來說，每種工況發(fā)生時
都會在某一段或某一部位發(fā)生最大水錘。下面以
中間B站發(fā)生事故停電為例分析整個系統(tǒng)的水力
變化過程。
系統(tǒng)正常運(yùn)行后，僅B站失電，A站和C站
繼續(xù)運(yùn)行。B站泵后二階段液控止回閥60S關(guān)閉
(10s關(guān)閉80％，50S關(guān)閉100％)。整條干管的
水力變化見圖3(紅線一最高壓力包絡(luò)線；黑
線一正常壓力線；藍(lán)線一最低壓力包絡(luò)線；綠
線一管道中心線；黃線一水體汽化壓力線，下
同)。
收稿日期：2015．06．18
作者簡介：史仁朋(1978年一)，男，高級工程師。
·127·
萬方數(shù)據(jù)
2016年第11期水利規(guī)劃與設(shè)計設(shè)計施工
圖1滕州供水單元管網(wǎng)樹狀圖(330天)
縱斷
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圖2干管穩(wěn)態(tài)壓力水頭線
A～B管道壓力升高，最高壓力發(fā)生在B站之
前，最高壓力達(dá)到606 KPa，出現(xiàn)的最低壓力略低
于正常工作壓力。這是由于B站失電關(guān)閥引起站前
壓力升高，而A站繼續(xù)運(yùn)行又加劇了這一趨勢。
B～c管道出現(xiàn)壓力強(qiáng)烈的升高及降低，最高壓
·128·
東
石
支
力達(dá)到1424KPa，遠(yuǎn)高于管道工作壓力；最低壓強(qiáng)已
降至汽化壓力以下，管道內(nèi)大范圍水體發(fā)生水柱拉
斷。這是由于B站失電關(guān)閥導(dǎo)致泵后管道出現(xiàn)負(fù)壓，
由于彌合水錘預(yù)防閥布置不合理，負(fù)壓過后水柱彌
合又發(fā)生了較大的正壓，多處發(fā)生彌合水錘。
萬方數(shù)據(jù)
設(shè)計施工水利規(guī)劃與設(shè)計2016年第11期
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圖3東滿莊泵站(B站)失電干管水頭包絡(luò)線
C站后的管道出現(xiàn)的最大壓力與正常運(yùn)行壓力布局是復(fù)合閥23處(46個)，彌合閥10處(20個)。
基本一致，最小壓力略低于正常運(yùn)行壓力。(2)液控閥關(guān)閥時間
其它6種工況也同樣發(fā)生較大的正壓及負(fù)壓， 甘橋泵站關(guān)閥時間60s，10s—O％～80％，
產(chǎn)生較為嚴(yán)重的水錘破壞。主要原因是排氣閥布置50s一80％～100％；東滿莊泵站關(guān)閥時間60s，10s一
不合理，發(fā)生較大范圍的水柱拉斷，產(chǎn)生彌合水0％～80％，50s一80％～100％；邢莊泵站關(guān)閥時間
錘。三級串聯(lián)加壓泵站，中間不設(shè)進(jìn)水池的供水系150s，10s—O％～80％，140s--80％～100％。
統(tǒng)又加劇了該系統(tǒng)水錘的復(fù)雜性。以上7種工況是(3)增設(shè)旁通管
按照已優(yōu)化的關(guān)閥時間計算的，已在一定程度上了旁通管可設(shè)置在東滿莊泵站和邢莊泵站兩站泵
削減了水錘。房內(nèi)部，在靠近檢修間的一側(cè)水泵管路上布設(shè)。旁
3 防護(hù)后瞬態(tài)分析計算霎尹氣翥囂囂主管道水流方向一致。
3．1 防護(hù)措施仍然以僅東滿莊泵站B失電為例，通過上述合
通常對泵站失電產(chǎn)生水錘采取的措施有以下四理的工程防護(hù)措施后，整條干管的水力變化見圖
種：增大水泵的慣性矩、泵站后設(shè)置空氣壓力罐、4。從該圖可以看出A～B最高工作壓力低于正常
管道增設(shè)復(fù)合進(jìn)排氣閥及合理控制站后二階段液控工作壓力的1．5倍，滿足《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB
止回閥的關(guān)閥開度及時間等。泵站參數(shù)選定水泵轉(zhuǎn)50265-2010)要求，最低壓力略低于正常工作壓力；
動慣量一般就確定了，很難增大?？諝鈮毫薰倘籅～C最高工作壓力略高于正常工作壓力，最低壓
是是消除水錘的良藥，但造價較高，特別是容量大力高于水體汽化壓力，大部分未出現(xiàn)負(fù)壓；C之后
的罐造價更高。經(jīng)分析試算，提出以下解決方案。最高工作壓力與正常工作壓力基本一致，最低壓力
(1)優(yōu)化排氣閥布設(shè)高于水體汽化壓力，大部分未出現(xiàn)負(fù)壓。
在不改變排氣閥總個數(shù)(33處66個)和位置不通過合理的工程措施，A～B最高工作壓力低
變的前提下，重新優(yōu)化排氣閥和彌合閥的位置，適于正常工作壓力的1．5倍，最低壓力略低于正常工
當(dāng)增減兩種類型閥門的個數(shù)(總數(shù)不變)，調(diào)整后的作壓力；B～C最高工作壓力略高于正常工作壓力，
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萬方數(shù)據(jù)
2016年第11期水利規(guī)劃與設(shè)計設(shè)計施工
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圖4東滿莊泵站IB站)失電干管水頭包絡(luò)線
最低壓力高于水體汽化壓力，大部分未出現(xiàn)負(fù)壓；
C之后最高工作壓力與正常工作壓力基本一致，最
低壓力高于水體汽化壓力，大部分未出現(xiàn)負(fù)壓。
4 結(jié)論
甘橋站、東滿莊站和邢莊站采用管道串聯(lián)增壓
的方式供水，可節(jié)約運(yùn)行能耗；不設(shè)調(diào)節(jié)池，節(jié)約
土地資源。但串聯(lián)增壓泵站上下游段水力條件相互
間受水錘的影響。本研究對管道串聯(lián)增壓泵站的水
錘進(jìn)行了分析，分析了串聯(lián)增壓泵站的水錘特性，
并根據(jù)水錘分析結(jié)果提出防護(hù)措施，確保整個系統(tǒng)
00
供水安全。當(dāng)前多級串聯(lián)泵站建設(shè)在國內(nèi)非常罕見，
但隨著微機(jī)自動化程度的廣泛應(yīng)用必將全面推廣。
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(上接第119頁)覆蓋層厚達(dá)41．9m，為解決滲透穩(wěn)
定問題和控制滲透量，采用混凝土防滲墻在砂卵礫
石覆蓋層做垂直截滲，防滲墻下部基巖采用帷幕灌
漿進(jìn)行滲流控制。由于混凝土壩剛度較大，且存在
沉降問題，而砂卵礫石地基中的混凝土防滲墻是相
對柔性的，如果兩者間的連接處理不好就可能會造
成漏水或者防滲墻斷裂漏水問題。無論何種漏水都
會危及大壩的安全。
實(shí)施中將砂卵礫石地基段防滲墻布置于壩軸線
上游20．9m處，混凝土壩與防滲墻之間設(shè)水平鋼
筋混凝土防滲鋪蓋，防滲墻采用鋼筋混凝土槽板
·130·
式，防滲墻與防滲鋪蓋之間設(shè)有銅片止水和橡膠止
水，且在接縫頂部設(shè)一道sR防滲體系，防滲鋪蓋
與混凝土壩之間用銅片和橡膠兩排止水連接。
3．3窯洞式廠房圍巖穩(wěn)定問題
主機(jī)間頂拱最大開挖跨度22．25m，邊墻開挖
跨度17．1 m，襯砌后跨度16m，長42．03m。由于
工程處于Ⅷ度地震烈度區(qū)，廠房圍巖穩(wěn)定是個突
出問題。
施工圖設(shè)計階段對窯洞室廠房洞室群及尾水洞
洞周圍巖穩(wěn)定采用三維彈塑性損傷有限元程序進(jìn)行
分析，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測信息反饋修(下轉(zhuǎn)第144頁)
萬方數(shù)據(jù)

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