以紹興市小舜江輸水工程為例,從水力振動和防止水錘兩方面進行考慮,研究了小開度停泵方式閥門最佳角度選擇,最終選擇符合實際的關閥角度。

1、工程概況

　　紹興市小舜江輸水工程由取水隧洞、提水泵站、出水隧洞、達郭調節水庫和輸水隧洞等幾部分組成，利用夜間低谷電能從湯浦水庫提水到調節水庫———達郭水庫，經調蓄后，全天候連續向凈水廠提供原水。出水隧洞縱剖面參見圖1，出水隧洞出口位于達郭水庫，泵站共有4臺機組，其技術參數如下：水泵型號：YJG48-20I，設計揚程Hr：52.7m(1#、2#水泵、)、57.2m(3#水泵)、49.7m(4#水泵)，設計流量Qr：5.0m3/s(1#、2#、4#水泵)，5.3m3/s(3#水泵)，額定轉速Nr：500r/min，電機功率Pr：3500kW，水泵轉矩：Mn=5645kgf·m(1kgf=9.8N)，轉動慣量：GD2=3817kgf·m2。2用2備，并聯運行時管道阻力參數K=0.0236s2/m5。最大幾何揚程58m，此時泵的工作揚程為61m。

圖1 出水隧洞縱剖面(單位：m)

　　此類高揚程抽水泵站事故停泵時易發生水錘，現階段最有效的解決辦法是采用二階段液控緩閉蝶閥降低水錘正壓，防止水泵倒轉。但往往會引起慢關(小角度)時間相對較長、泵及閥門的劇烈水力振動。本工程不應忽略停機及關閥過程中劇烈的水力振動，閥門開度選擇特別重要，過小沒有解決水力振動，過大易引起水泵倒轉，影響泵的使用壽命，因此應該綜合考慮水力振動與水錘的因素。

2、水力振動

　　水泵機組及閥門的振動情況見表1，出口閥θ-ξ(開度-水頭損失系數)關系見表2。

表1 實測振動值情況分析

表2 出口閥θ-ξ關系

　　閥門90°為全開狀態，水泵機組最大允許振動值≤0.045mm。以上數據表明10°以下振動明顯加強，開度越小，振動值增加越明顯。

　　從表2可知，閥門小于10°時水頭損失系數呈幾何級數增加，局部水力損失加大。

　　綜合上述在出口閥關閉到大于10°時水泵停機，可大幅度降低泵及閥門的振動值與水力損失。

3、水錘方面

　　水泵出口閥中間轉折開度為15°，液控蝶閥分別關至12°、15°、18°時水泵斷電的出口閥關閉規律優化選擇計算見表3。

表3 出口閥關閉規律優化選擇計算

　　注：湯浦水庫水位12m;達郭水庫水位70m。單臺水泵運行，正常停機(3#)。空白處表示未發生反轉。

　　(1)經計算兩臺水泵并聯運行，其中一臺水泵正常停機3#，其水泵出口最大內壓和反轉速度都要小于表3所列的工況。

　　(2)由于水泵抽水揚程越大，斷電后最大反轉速度上升值越大;湯浦水庫水位一定時，調節水庫水位越高，或調節水庫水位一定時，湯浦水庫水位越低，水泵斷電后輸水系統中出現的最大內水壓力值越大。因此，在小開度停泵計算中，選擇該進、出口水庫水位組合情況下，為水泵出口閥關閉規律的優化選擇計算的控制情況。

　　(3)考慮到出口閥關閉規律轉折點開度為15°時，閥門總有效關閉時間較短，且當水泵斷電前，閥門在小開度區域運行時間較短，水力振動較小，因此，閥門轉折開度選定為15°。

　　(4)正常停機時最大內壓控制值為80m，水泵不反轉;事故停機時(兩臺泵并聯運行同時全失電)最大內壓控制值為91m，水泵失電后的最大反轉速度均小于其額定轉速，不發生水泵葉輪飛逸破壞事故。

　　由表3可知，水泵在出口閥關至12°時斷電工況，水泵出口最大內壓力較小，在控制值內，而且水泵不發生反轉，對泵的使用壽命沒有影響，明顯優于其他角度。最后選擇快關時間20s、總關閥時間45s，轉折點開度為15°兩段折線關閉規律，水泵機組在出口閥關閉至12°時水泵斷電停機，這樣可有效改善目前的水力振動現象，又把在正常停機時最大內壓與反轉速度控制到較小或不反轉，而在事故停機時最大內壓與反轉速度滿足控制要求。在湯浦水庫水位12m，達郭水庫水位70情況，3#與2#兩臺泵全失電情況下，閥門在給定規律下關閉，水泵出口最大內壓為90.8m，最大反轉速度-307r/min。

4、結語

　　類似工程可從水力振動方面初步選定閥門開度范圍，后從液控蝶閥分別關至不同開度時水泵斷電的出口閥關閉規律進行優化選擇，最終選擇最符合實際的閥門開度。需要注意的是，正常停機與事故停機時控制值應有所區別。