泵站水锤计算与缓闭止回阀关闭时间的确定

龙口水库抽水站位于深圳市龙岗区横岗镇排榜村，距离龙口水库管理处办公楼约4 km，取水口位于东深供水隧洞一号支洞。抽水站现装有卧式32SA－10C型水泵机组3台，单机容量1 250 kW，正常运行为两用一备，设计提水流量为2.50 m3/s，正常运行日提水量21万m3。龙口水库属小(1)型水库，总库容994万m3，主要水利枢纽由抽水站、南库、北库、连通渠、大坝、副坝组成。主要任务是调节东深引水，保证深圳市龙岗区供水。水库流域面积1.93 km2，水库辖管面积2.7 km2。泵站装机数为3台。水泵扬程H0=62 m，Q为7 000 m3/h。改造后最大工况为3台投入使用。泵站属地下式泵房，压力管全长为667.05 m。主泵出口段管径为DN800。由于压力管道沿途要经过公路，大坝设有虹吸、倒虹吸，排气管口等故属于水泵扬程大，高程变化大的输水系统。这种系统在实际运行中极易发生水锤。该泵站没有设置调压井，从泵站安全运行及维修角度出发在泵口出水处设置了缓闭止回阀，以降低水锤对整个系统的压力，可见缓闭止回阀在整个泵站安全运行中的重要性。而设置缓闭阀的关闭时间也就成为泵站安全运行的重中之重。最低水位▼27.55 m高程关系详见图1。

图1 管线高程变化示意图

1 水锤计算

式中:μ为水管特性常数，μ=аV0/2gH。;v0为阀门全开启时管道流流速，m/s;а为介质的水锤波速(介质为水时，取а=1 000 m/s);H0为上下游水头差或水泵扬程，kPa;τ0为无量纲阀门开度(τ0为起始开度)。

阀门全开时，τ=1.0，每台水泵流量 Q=7 000 m3/h，扬程Hо=607.6 kPa。所以最不利工况为3台水泵同时断电(改造后3台机组同时运行)届时管内流流速ν0=3.86 m/s。当上下游水头差 H=440.51 kPa，则 μ=4.377，μτ0=4.377＞1.5，属极限水锤。当 H0=607.6 kPa(水泵扬程)，则 μ=3.173，μτ0=3.173 ＞1.5，属极限水锤。

水锤计算公式为:

式中:Hmax为最大水锤压力，kPa;Hm为最大水锤压力相对值。

对于极限水锤计算公式为:

式中:σ为水管特性常数。σ=LV0/gH0Ts;L为管道长度，L=667.05 m;Ts为阀门关闭时间，s。

计算成果见表1。

表1 水锤计算表

假设事故突然停泵，管内液体在t=0内停止流动。管路中的总压力h按下式计算。

式中:V1为正常运行时管中水流速度，m/s;V2为阀门关闭后管中水流流速度，m/s;g为重力加速度;c为管路中的衡击波传播速度。弹性薄壁钢管约以1 000 m/s的速度传播。

2 钢管的强度校验

泵出口钢管选用A3钢，即:

式中:p为管内压力，取最大值p=4.3MPa;D为管内直径，D=0.8 m;δ为管壁厚度，出口管壁δ=10 mm。

由第三强度公式pD/2δ≤﹝σ﹞得:

第四强度公式pD/2.3δ≤﹝σ﹞得:

而泵出口管壁δ=10mm＞8.6mm

可见第三，第四强度公式计算证明在最大水锤压力作用下，泵站出水钢管可以承受最大直接水击压力。

3 设置缓闭止回阀

龙口泵站采用的HD7s41X－10型缓闭阀的工作原理如下。在进口端介质作用下，阀瓣自动开启到位，同时液压缸内活塞上升到最高位置阀门开启。当停泵液压缸内介质回流，阀瓣在自重和水压力下首先迅速关闭到缓闭角位置，然后再慢关到全闭位置，以达到既停止介质大量倒流又防止水锤升高的目的。另外可旋转缓闭调节阀来调节缓闭时间长短(即可调节Ts)，顺时针调节缓闭时间延长，逆时针调节缓闭时间缩短。

主要性能包括:公称压力为1 MPa;介质流速为≤5 m/s;缓闭角为30°。

进行系统的水锤计算，目的就是找到合适的关闭规律，确定关闭时间(Ts)，从而确定水锤对泵站的振动。而关缓闭止回阀的关闭时间从表1中可以看到产生的水锤都在安全压力值范围内。10 s时间段产生水水锤较大且不在阀门时间调节范围内故不考虑，在10～60 s时间段范围内应取压力值相差不大，关闭时间又较短的。

4 结论

1)建议3台机组安装缓闭阀关闭时间确定为10 s＜Ts≤20 s。

2)正常运行期间，禁止2台以上机组同时停机。

3)另外，关于止回阀的选择要注意关闭规分律，最好为二段关闭:第一段在短时间内阀瓣关到最小开度(本站选用30°)，然后缓闭其余开度。

本站Ts约为14 s，运行10 a来一直平稳正常。