1、工程概述

某调水工程，仅有一用水户，年调水量为3000万m3，管道全长约32km。泵站自水库引水，设计流量为0. 94m3/s，设计扬程为94.8m，泵站内共设6台机组，4用2备，总装机2700 KW，运行装机1800KW单台水泵的技术参数见表1

表1 水泵技术参数

水泵特性曲线见图1

图1 水泵特性曲线

2、泵后阀门选型及关阀流程

《泵站设计规范》(GB50265-2010 )规定，扬程高、管道长的大中型泵站，事故停泵可能导致机组长时间超速反转或造成水锤压力过大，推荐在水泵出口安装两阶段关闭的液压缓闭阀门。本案例中泵后采用液压控制半球阀，具备两阶段关闭功能。

传统的缓闭式止回阀，关阀只有一个阶段，不适用于高扬程泵站。多功能水泵控制阀也可以实现两阶段关闭的功能，但受其结构限制，阀门的关闭时间没有重复性，不可控，其削减水锤效果一般。利用液压传动装置的两阶段关闭工作阀门，可以实现在第一阶段快速关闭阀门至某一角度，不至于造成过大的水锤压力波动，第二阶段缓慢关闭阀门至全部关闭，此时可以防止水泵出现过大的反转，又能将泵后管道压力控制在合理的区间。此外，从阀门结构的角度来说，液压控制工作阀门可以采用球阀或半球阀阀体，水头损失较缓闭式止回阀及多功能水力控制阀小。

当机组发生事故停泵，泵后阀门启动事故关阀程序。该流程为:水泵失电——失电信号直接传递给液压站控制柜——电磁阀组打开——第一阶段快关——第二阶段慢关至完全关闭。

3、关阀时间及关度的确定

利用Bentley Hammer瞬态分析软件对整个供水系统进行仿真分析。本次计算步长选取为0.01s,总计算时间模拟300s。其中前5s正常运行，第5s发生事故水锤。

确定关阀流程的基本思路是:首先初拟一个足够长的总关阀时间和一个合适的快关时间用来确定关度;然后在拟定关度的基础上，确定第一阶段关阀时间;最后确定第二阶段关阀时间。

3.1、关度的确定

阀门关度决定水锤压力对水泵的冲击力，进而决定水泵的倒转程度。关度越小，水锤对水泵叶轮的冲击会越大，水泵反转速度越大，泵后管道可能出现的正压越小;关度越大，水锤对水泵叶轮的冲击越小，甚至可以使水泵机组不发生倒转，但泵后出现正压越大。

首先初拟一个足够长的总关阀时间，初拟150s，使泵后管道出现的正压足够小，第一阶段关阀时间初拟2s，使阀门在第一次正压波来临之前阀门能够关闭到位避免水泵叶轮直接接收第一次正压波的冲击。在此前提下控制阀门的第一阶段关度，拟定80% ,  90% ,  95%三个关度进行试算，见图2

图2 三种关度下的水锤包络图

图3 三种关度下的水泵转速变化图

图4 泵后阀门后压强变化图

图5 三种第二阶段关阀时间下的水锤包络图

由图3可知，三种关度下泵后最高压力及水泵转速差别较大，可以看到关度越大，泵后最高水锤压力越大，水泵反转速度越小。在95%关度下，

泵后最高水锤水头仅有146.2m(稳态下水头为145.3m )，水泵仍出现反转，最高转速为-1524rpm，超过额定转速的时间为14.1s;在80%关度下，泵后最高水锤水头高达223. 80m(稳态压强的1.95倍，超出规范规定)，水泵出现反转，最高反转转速为-1710rpm，超过额定转速的时间为65.0s。需要注意，泵后发生水锤最大压强的时间为150s之后，如图4。也就是说在阀门完全关闭之后才发生最大水锤压力，初拟的150s有可能还不够长。最终可以基本选定阀门关度为95 %

3.2、第一阶段关阀时间的确定

理论上我们只需要在第一波正压波来临之前关闭阀门至95 %，就能有效的防止水泵转速过大。根据以上95%阀门关度的模拟分析，第一波正压波来临的时间是第72s，经分析，这是因为管道长度过长导致。因此，第一阶段关阀时间需小于72s,考虑到工作阀门本身关阀时间有限，第一阶段关阀时间仍选取为初拟的2s

3.3、第二阶段关阀时间的确定

根据以上确定的第一阶段关阀时间2s，关度95%，选取第二阶段关阀时间120s, 130s, 200s进行模拟分析，重点观察泵后水锤变化情况，如图5。

由图5可知，第二阶段关阀时间的长短与泵后最大水锤压力有明显的正相关:关阀时间越长，对管道水锤压力的释放就越充分，泵后最大水锤压力越低，反之亦然。当第二阶段关阀时间达到200s时，可以看到泵后最大水锤压力已经与稳态水头相差不大。为确定相对最优解，以10s为一个步长继续求解，最终选定第二阶段关阀时间为140s最终选定关阀方案下的水锤包络图见图6

图6 最终选定关阀方案的水锤包络图

4、结论及建议

泵后两阶段关阀时间及关度的确定实际上是在泵后压力与水泵倒转之间找个一个平衡点，即在关阀第一阶段快速关闭到一定关度，使水泵尽可能不发生倒转以保护水泵，关阀第二阶段慢速关阀，给予泵后水体一定的回转余地，不至于产生较大的负压，进而削减弥合水锤，削减泵后正压。

对于关阀时间及开度的选择，本文提供的思路是先拟定足够短的第一阶段关阀时间和足够长的第二阶段时间，确定关度方案;再根据第一波正压来临时间确定第一阶段关阀时间;最后调整第二阶段关阀时间，确定一个相对最优解，同时将水泵反转及泵后最大水锤压都尽量将到最低。