大型泵站疊壓輸水水錘防護(hù)研究

韓建軍 張旭峰 陳紅剛

(大連市供水有限公司 116021)

我國(guó)由于水資源空間分布的不平衡以及區(qū)域用水量的差異，一些城市或者地區(qū)不得不從外地調(diào)水，許多長(zhǎng)距離輸水工程已經(jīng)投入應(yīng)用，并且更多的長(zhǎng)距離輸水工程正在或即將建設(shè)，其中采用管線的輸水方式因其受地形限制小、水量損耗小、水質(zhì)不易受污染等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越被廣泛采用，各種情況的管段壓力情況也在出現(xiàn)。在建立水錘防護(hù)設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)延時(shí)關(guān)閉止回閥，分析了經(jīng)過(guò)加壓泵站加壓，且起始端有較高余壓的輸水管線的水錘防護(hù)效果。

1 特征線法及水錘防護(hù)設(shè)備

1.1 水錘求解方法——特征線法

水錘計(jì)算方法較多，本研究采用特征線法。特征線法的基本原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉(zhuǎn)化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。水錘計(jì)算的特征差分方程為式(1)～式(4)。

QL1、QL2——管道L1、L2 兩點(diǎn)的瞬態(tài)流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 兩點(diǎn)的瞬態(tài)水頭;

CT、Cn——水錘特征沿程的特征參量;

Ca——管道的特征常數(shù);

Cf——管道的摩阻性常數(shù);

g——重力加速度;

a——水錘波速;

f——管道的阻力系數(shù);

Δt——選定時(shí)間步長(zhǎng);

D——管道直徑;

A——管道過(guò)流面積。

針對(duì)長(zhǎng)距離、起伏大的輸水管線，水錘防護(hù)設(shè)備有雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、真空吸氣閥。針對(duì)該項(xiàng)目采用了單向調(diào)壓塔。

1.2 水錘防護(hù)設(shè)備——單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。單向調(diào)壓塔的注水管上裝設(shè)有逆止閥，當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時(shí)，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱分離，避免彌合水錘。單向調(diào)壓塔的幾何高度及容積較雙向調(diào)壓塔可大大降低，其幾何高度及容積相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)合理，但其對(duì)停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。由于單向調(diào)壓塔是靠塔內(nèi)水位與管道內(nèi)壓力差，在重力作用下進(jìn)行補(bǔ)水防止水柱分離的，因此其保護(hù)范圍僅為塔內(nèi)最高水位以下的管道部分。此外單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠，一旦該閥門(mén)失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。計(jì)算公式如下:

當(dāng)Hp3≤Hp，Qp3=0 時(shí)

以上式中 Qp1——流經(jīng)調(diào)壓塔前管內(nèi)流量，m3/s;

Qp2——流經(jīng)調(diào)壓塔后管內(nèi)流量，m3/s;

Qp3——流出調(diào)壓塔流量，m3/s;

Ca——調(diào)壓塔出口流量系數(shù);

AP——補(bǔ)水短管的過(guò)流面積，m2;

HP3——調(diào)壓塔水位，m;

HP——管中壓力，m;

Smax——調(diào)壓塔內(nèi)浮球閥控制最高水位(常數(shù))，m;

Z——塔相對(duì)于基準(zhǔn)面高度，m;

Q3——塔內(nèi)流量，m3/s;

Δt——調(diào)壓塔出流時(shí)間，s;

F——塔斷面面積，m2。

2 水錘防護(hù)方案實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程設(shè)計(jì)輸水流量3510L/s。該項(xiàng)目分析其中鞍山加壓泵站至蓋州加壓泵站段的水錘防護(hù)問(wèn)題。該段長(zhǎng)度為122.5km，全線設(shè)置空氣閥325處，每處安裝DN200 空氣閥2個(gè)，共計(jì)650個(gè)DN200 空氣閥，單向調(diào)壓塔兩座。其中單向調(diào)壓塔分別設(shè)在樁號(hào)42+171 和107+085 處。樁號(hào)42+171 處調(diào)壓塔最高水位為38.11m，最低水位為20m，直徑為6.2m，容積為543m3。樁號(hào)107+085 處調(diào)壓塔最高水位為32.13m，最低水位為20m，直徑為3.57m，容積為121m3。鞍山加壓泵站采用壓力罐吸水，所以首端有較高壓力。

該工程穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況

分析可知:管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，管線各處自由水壓小于承壓能力，管線承壓能力滿足穩(wěn)態(tài)需求，但首端壓力很高。

2.2 水錘防護(hù)方案

在現(xiàn)有設(shè)備條件下，事故停泵時(shí)不關(guān)閉止回閥，水錘防護(hù)效果見(jiàn)圖2。

圖2 事故停泵水錘后果

分析可知:事故停泵時(shí)最大壓力(自由水頭)超出1.5倍承壓能力，泵后最小壓力(自由水頭)達(dá)到-10m，會(huì)發(fā)生水柱分離。

研究針對(duì)關(guān)閉止回閥，分別給出兩個(gè)可行的水錘防護(hù)方案，進(jìn)行比較。

2.2.1 方案一(止回閥不延時(shí)關(guān)閉)

在鞍山泵站各水泵出口壓水管安裝緩閉液控止回閥，事故停泵時(shí)，該閥門(mén)的控制方式為前120s 關(guān)閉80%，600s以后再逐步全部關(guān)閉(時(shí)間不少于900s)。鞍山加壓泵站出口設(shè)置4臺(tái)DN400的壓力波動(dòng)預(yù)止閥。計(jì)算模擬時(shí)，管線全線不設(shè)空氣閥，只設(shè)兩座調(diào)壓塔。在該水錘防護(hù)設(shè)備方案下，進(jìn)行停泵水錘計(jì)算模擬，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 方案一事故停泵管道壓力

分析可知:事故停泵時(shí)，管線末段小段負(fù)壓值較嚴(yán)重，其余管線最小水頭滿足承壓能力要求，不滿足防護(hù)需求。

2.2.2 方案二(止回閥延時(shí)關(guān)閉)

鞍山加壓泵站內(nèi)各水泵壓水管上安裝液控緩閉止回閥一個(gè)，事故停泵后止回閥最優(yōu)關(guān)閉時(shí)間為:先延時(shí)100s，100～108s 關(guān)閉80%，220s 內(nèi)關(guān)閉100%;

在最大流量(工況1)下，根據(jù)要求需模擬6種不同瞬態(tài)工況水錘，見(jiàn)下表。

6種瞬態(tài)工況表

2.2.2.1 Case 1(爆管工況)水錘模擬計(jì)算

快速關(guān)閉所有水泵及閥門(mén)時(shí)水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 Case 1 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

分析可知:事故停泵時(shí)全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負(fù)壓滿足要求。水泵轉(zhuǎn)速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.2 Case 2(泵站掉電停機(jī)工況)水錘模擬計(jì)算

泵站掉電停機(jī)時(shí)水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

分析可知:事故停泵時(shí)全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負(fù)壓滿足要求。水泵轉(zhuǎn)速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.3 Case 3(單泵事故停機(jī)工況)水錘模擬計(jì)算

單泵事故停機(jī)時(shí)水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 Case 2 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

圖6 Case 3 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

分析可知:事故停泵時(shí)最大壓力(自由水頭)超出承壓能力，但未超出1.5 倍承壓能力，全線負(fù)壓滿足要求。水泵轉(zhuǎn)速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.4 Case 4(兩泵事故停機(jī)工況)水錘模擬計(jì)算

兩臺(tái)水泵事故停機(jī)時(shí)水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 Case 4 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

分析可知:事故停泵時(shí)全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負(fù)壓滿足要求。水泵轉(zhuǎn)速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.5 Case 6(多泵事故停機(jī)工況)水錘模擬計(jì)算

多泵事故停機(jī)極限為4臺(tái)水泵同時(shí)停機(jī)，在該極限工況下水錘模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

分析可知:事故停泵時(shí)全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負(fù)壓滿足要求。水泵轉(zhuǎn)速及水泵泵后壓力滿足要求。

圖8 Case 5 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

2.3 方案優(yōu)選

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，方案二能有效地起到水錘防護(hù)的作用。

3 結(jié) 論

通過(guò)分析事故停泵時(shí)，止回閥不延時(shí)和延時(shí)關(guān)閉，通過(guò)大量計(jì)算分析，對(duì)于通過(guò)壓力罐吸水、起始端具有高壓的長(zhǎng)距離輸水管線來(lái)說(shuō)，在設(shè)置水錘防護(hù)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)延時(shí)關(guān)閉泵后止回閥，能充分利用首端壓力罐的壓力，有效緩解事故停泵時(shí)水錘問(wèn)題。