長距離輸水泵系統(tǒng)液柱分離的聯(lián)合防護(hù)研究

黃玉毅 ，李建剛 ，劉 政 ，蔣 勁 ，蘭 剛 ，范 征

（1.甘肅省酒泉市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，735000，酒泉；2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，430064，武漢）

一、管道內(nèi)流體壓力劇變研究意義深遠(yuǎn)

流體的瞬變過程是指當(dāng)壓力管道中的流體因某些原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時(shí)，由于流體的慣性作用而引起管道內(nèi)流體壓力急劇變化的現(xiàn)象。當(dāng)管道中壓力降低到水的汽化壓力，即管路中出現(xiàn)氣、液兩相流時(shí)，由此而帶來的負(fù)壓和水注彌合壓力都會對管路造成危害。如果預(yù)料不及或處理不當(dāng)將會導(dǎo)致管道劇烈震動，泵閥等設(shè)備被損壞，嚴(yán)重時(shí)整個系統(tǒng)管道斷裂破壞。因此，對泵站及其管路進(jìn)行瞬變過程的分析計(jì)算，針對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理分析并采取相應(yīng)的水錘防護(hù)措施以達(dá)到安全性的要求就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外有關(guān)流體瞬變流的研究已深入到氣液兩相瞬變流問題，同時(shí)如何更加經(jīng)濟(jì)、有效地防止水錘事故，根據(jù)實(shí)際情況尋找最優(yōu)的防護(hù)對策也是一項(xiàng)長期的研究課題。

對長距離泵站輸水系統(tǒng)的水力瞬變進(jìn)行理論分析和預(yù)測，從而采取安全可靠、管理方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的水錘防護(hù)措施，是優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，確保工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，對于保障生活生產(chǎn)用水及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有非常重要的實(shí)際意義和理論價(jià)值。

二、兩相瞬變流的基本假設(shè)

對管道中的兩相流，作如下基本假設(shè)：①不考慮兩相間的相對速度(運(yùn)動)，在同一斷面上，氣相和液相的速度在每一瞬間均相等，都等于混合體的速度；②因按一維流態(tài)分析，所以一些物理量如流速、密度和壓力等均按斷面平均值計(jì)算；③不計(jì)氣泡的表面張力。

兩相瞬變流采用的基本方程和單相流一樣，但需分相列出質(zhì)量方程，因不計(jì)相間的動量變換，所以動量方程可以合并為一個混合體的動量方程?；痉匠淌郊捌渫蒲萋允?。

三、水錘計(jì)算及防護(hù)實(shí)例應(yīng)用

1.基本概況

某供水項(xiàng)目自樞紐進(jìn)水口取水后，采用 4 臺（1 臺備用）ASP1 400—1 500 A泵輸送，葉輪直徑1 480 mm，水泵揚(yáng)程30.69 m，額定流量8.4 m3/s,額定點(diǎn)效率91%，額定轉(zhuǎn)速375r/min。管線總長37.734km，其中鋼管段總長1.692km，采用DN 2800的管道雙管布置，隧洞段總長36.042km。系統(tǒng)靜揚(yáng)程9.00 m，管路總損失21.55 m。針對本工程的管線布置與泵站設(shè)計(jì)，為了對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的事故停泵過渡過程問題進(jìn)行計(jì)算分析，并采取合理的措施對工程進(jìn)行水錘防護(hù)，對該泵站及輸水系統(tǒng)水錘計(jì)算及防護(hù)研究的主要內(nèi)容如下：①泵站各種可能的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的校核計(jì)算。②泵站事故停泵過渡過程計(jì)算及水錘防護(hù)措施研究。分別計(jì)算各級泵站發(fā)生事故停泵時(shí)的泵組最不利參數(shù) （包括最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)時(shí)間、最大倒泄流量等）、管線最大最小水錘壓力包絡(luò)線；優(yōu)化確定水泵出口控制閥的關(guān)閉規(guī)律；提出水錘防護(hù)措施。

2.泵站事故停泵水錘及關(guān)閥水錘計(jì)算

（1）泵出口閥不關(guān)閉

利用泵站的基本資料，對泵站建立模型并進(jìn)行計(jì)算。以3臺泵運(yùn)行作為控制工況，進(jìn)行水錘分析和防護(hù)措施選擇。

圖1為3臺泵運(yùn)行、無任何防護(hù)措施、泵出口閥不關(guān)閉條件下的停泵水力過渡過程計(jì)算結(jié)果。（a）為沿線壓力包絡(luò)線；（b）為泵出口閥后壓力的變化過程；（c）水泵流量的變化過程；（d）樁號2+796處壓力變化過程。

水泵在停泵后的95.2秒開始倒流，在停泵后的第112.4秒開始倒轉(zhuǎn)。水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的0.40倍。水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速沒有超過《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”要求。出于安全考慮，應(yīng)確保停泵后泵出口閥門的可靠關(guān)閉，防止水泵長時(shí)間倒轉(zhuǎn)。 從圖1（a）、（b）中可以看出，水泵出口母管中的最大水錘壓力為30.39 m，初始恒定流壓力為30.39 m，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5 倍”的要求。 圖1（a）、（d）顯示管道中最小水錘壓力為-8 m，出現(xiàn)在樁號2+796處，管線中汽化（按-8 m考慮，下同）現(xiàn)象很嚴(yán)重。

（2）設(shè)雙向調(diào)壓井和單向調(diào)壓井，泵出口閥關(guān)閉

圖1 3臺泵突然停泵的水力過渡過程（無任何防護(hù)措施、泵出口閥不關(guān)閉）

雙向調(diào)壓井是一種兼具注水和泄水緩沖式的水錘防護(hù)措施，一旦管道中壓力降低，調(diào)壓井迅速向管道補(bǔ)水，以防止管道總產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)管路中水錘壓力升高時(shí)，允許高壓力水流進(jìn)入調(diào)壓井，從而起到緩沖水錘壓力升高的作用。單向調(diào)壓井帶有普通止回閥，水泵正常運(yùn)行時(shí)，注水管上的止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)事故停泵水壓降到事先設(shè)定的壓力值時(shí)，止回閥迅速開啟，向管道注水，從而防止發(fā)生負(fù)壓并控制泵管系統(tǒng)中的水錘壓力振蕩與危害。

根據(jù)管線縱剖面圖，擬在樁號2+769.16處設(shè)置1個雙向調(diào)壓井，直徑為25 m，高為17 m,初始液面高度14.32 m。在樁號0+892.25處設(shè)置一個單向調(diào)壓井，直徑為6 m,高為10 m，液面高8 m。事故停泵后，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律為兩階段關(guān)閥：0～11.7秒關(guān)80%，11.7～90秒全部關(guān)閉。

圖2為3臺泵運(yùn)行、設(shè)雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、泵出口閥兩階段關(guān)閉條件下的停泵水力過渡過程計(jì)算結(jié)果。（a）為沿線壓力包絡(luò)線；（b）為雙向調(diào)壓塔液面高度的變化過程。

安裝雙向調(diào)壓塔和單向調(diào)壓塔，水泵出口閥兩階段關(guān)閉后。從圖2（a）中可以看出系統(tǒng)最大壓力38.85 m，出現(xiàn)在泵出口閥后，最小壓力-1.15 m，出現(xiàn)在14+613.95處，系統(tǒng)中沒有出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。但圖（b）顯示事故停泵300秒后，雙向調(diào)壓井內(nèi)水全部流空。

（3）設(shè)雙向調(diào)壓井和單向調(diào)壓井，泵出口閥關(guān)閉，尾閥關(guān)閉

為了防止雙向調(diào)壓井內(nèi)水過快排空，可考慮關(guān)閉系統(tǒng)尾閥。閥門特性曲線選用等百分比特性曲線。事故停泵30秒后，尾閥開始關(guān)閉，經(jīng)過60秒完全關(guān)閉。事故停泵后，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律仍為兩階段關(guān)閥：0～11.7秒關(guān)80%，11.7～90秒全部關(guān)閉。圖3為3臺泵運(yùn)行、設(shè)雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、泵出口閥兩階段關(guān)閉、尾閥關(guān)閉條件下的停泵水力過渡過程計(jì)算結(jié)果。（a）為沿線壓力包絡(luò)線；（b）為尾閥進(jìn)口流量和壓力的變化過程。從圖3（a）和（b）中可以看出系統(tǒng)最大壓力137.92 m，出現(xiàn)在尾閥進(jìn)口，遠(yuǎn)大于水泵出口額定壓力，且樁號14+164下游至尾閥進(jìn)口處出現(xiàn)了汽化現(xiàn)象。

（4）設(shè)雙向調(diào)壓井和單向調(diào)壓井，泵出口閥關(guān)閉，尾閥兩階段關(guān)閉

為了防止雙向調(diào)壓井內(nèi)水過快排空，可考慮關(guān)閉系統(tǒng)尾閥，但尾閥關(guān)閉過快，將導(dǎo)致尾閥進(jìn)口產(chǎn)生較大的關(guān)閥水擊壓力，而且管線末端將出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，所以擬在事故停泵后，兩階段關(guān)閉尾閥。閥門特性曲線選用等百分比特性曲線。事故停泵30秒后開始動作，30～90 秒關(guān)閉 70%，90～390秒全部關(guān)閉。事故停泵后，泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律仍為兩階段關(guān)閥：0～11.7秒關(guān)80%，11.7～90秒全部關(guān)閉。

圖4為3臺泵運(yùn)行、設(shè)雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、泵出口閥兩階段關(guān)閉、尾閥兩階段關(guān)閉條件下的停泵水力過渡過程計(jì)算結(jié)果。

圖2 3臺泵突然停泵的水力過渡過程（設(shè)雙向調(diào)壓井、單向調(diào)壓井、泵出口閥兩階段關(guān)閉）

圖3 3臺泵突然停泵的水力過渡過程（設(shè)雙向調(diào)壓井、單向調(diào)壓井、泵出口閥兩階段關(guān)閉、尾閥關(guān)閉）

圖4 3臺泵突然停泵的水力過渡過程（設(shè)雙向調(diào)壓井、單向調(diào)壓井、泵出口閥兩階段關(guān)閉、尾閥兩階段關(guān)閉）

從圖4（a）中可以看出系統(tǒng)最大壓力38.95 m，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”的要求。最小水錘壓力-0.93 m，出現(xiàn)在泵出口閥后，管路中汽化現(xiàn)象已消除，負(fù)壓狀況得到大大改善。 圖4（b）（c）顯示了泵出口閥兩階段關(guān)閉后，水泵倒流倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到改善，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求。 圖4（e）（f）顯示，兩階段關(guān)閉尾閥后，雙向調(diào)壓塔不會排空，且沒有產(chǎn)生巨大的關(guān)閥水擊壓力。

四、結(jié) 論

研究泵站采用了4臺 （1臺備用）泵組，3臺機(jī)組停機(jī)，無防護(hù)措施時(shí)，有汽化現(xiàn)象，且水泵有較為嚴(yán)重倒流和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)。為改善水泵倒流倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象在水泵出口設(shè)置重錘式液控緩閉蝶閥，事故停泵后兩階段關(guān)閉。為有效消除事故停泵后系統(tǒng)中的負(fù)壓，在樁號2+769.16處設(shè)置1個雙向調(diào)壓井，直徑為25 m，高為17 m，初始液面高度14.32 m，在樁號0+892.25處設(shè)置一個單向調(diào)壓井，直徑為6m,高為10m，液面高8 m。為防止事故停泵后雙向調(diào)壓塔快速排空，在管線末端裝設(shè)尾閥。數(shù)值模擬結(jié)果顯示如果在事故停泵后，快速關(guān)閉尾閥，將導(dǎo)致較大的關(guān)閥壓力，造成管線末端出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，而采用兩階段關(guān)閉尾閥，不僅能防止事故停泵后雙向調(diào)壓塔排空，也不會產(chǎn)生過大的關(guān)閥壓力，還能進(jìn)一步改善系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓，一種可靠的水錘防護(hù)措施。

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