長距離輸水管道啟泵水錘模擬及試驗驗證

楊曉蕾，邱象玉，楊進新

（北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京100048）

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長距離輸水管道啟泵水錘模擬及試驗驗證

楊曉蕾，邱象玉，楊進新

（北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京100048）

摘要：水錘是流體的一種非穩(wěn)定流動。在長距離輸水工程中，水錘現(xiàn)象有可能會造成很大的危害。本文以南水北調來水調入密云水庫調蓄工程為例，對長距離輸水管道啟泵過程中的水錘現(xiàn)象進行模擬，并通過試運行時的實測資料對模擬結果進行驗證。結果表明，模擬結果與試驗結果非常接近。通過本次模擬及試運行發(fā)現(xiàn)，在長距離輸水管道啟泵過程中，管道內會產(chǎn)生明顯的升壓，必須予以重視，否則存在管道破裂的風險。

關鍵詞：長距離輸水管道，啟泵水錘，試運行試驗，HAMMER軟件

水錘是流體的一種非穩(wěn)定流動。管道中某一截面由于流速發(fā)生了改變從而使該處壓力產(chǎn)生一個突然的躍升或下跌，這個壓力的瞬變波稱為水錘。水錘現(xiàn)象會造成以下幾種危害：造成管道或設備強度不夠而破裂、管道塌癟、管道接口位置改變和滲漏。［1-6］

通過對泵站輸水工程各種工況下水錘的分析研究，可以確定管線的最大、最小壓力及機組的最大倒轉速，優(yōu)化泵后閥門的開啟和關閉規(guī)律，優(yōu)化管線沿程空氣閥布置，為引水系統(tǒng)布置、機組參數(shù)選取及泵站機組招標等提供技術參數(shù)，也為泵站工程的設計和最終安全可靠運行提供技術保證。

本文以南水北調來水調入密云水庫調蓄工程中的雁棲泵站及PCCP輸水管道工程為例，對長距離輸水管道啟泵過程中的水錘現(xiàn)象進行模擬，并通過試運行時的實測資料對模擬結果進行驗證。

1　工程概況

由于南水北調來水與北京市用水過程不匹配，需設置大型調蓄工程予以處理，以提高城市供水的可靠性和穩(wěn)定性。在通水初期將南水北調多余來水調入北京，加強北京的水資源戰(zhàn)略儲備。

將南水北調來水調入密云水庫，可解決密云水庫近年來來水量及供水量逐年減少，供水功能逐年下降問題，同時解決密云水庫目前蓄水量少，不能滿足補償調節(jié)要求的問題。工程建成后，可擴大南水北調供水范圍，為昌平、懷柔新城使用南水北調水創(chuàng)造條件。

工程由團城湖通過京密引水渠反向輸水、經(jīng)六級泵站將水提升至懷柔水庫，部分水量經(jīng)懷柔水庫分水回補水源地，其余水量再經(jīng)三級泵站加壓輸水至密云水庫，線路總長103km，總揚程149.3m［7］。

雁棲泵站及其后22km長PCCP輸水管道工程是密云水庫調蓄工程的一部分。雁棲泵站是工程中的第八級加壓泵站，PCCP管道末端為溪翁莊泵站前的調蓄水池。

2　模擬軟件簡介

本次使用的模擬軟件為HAMMER軟件。HAMMER軟件能夠對復雜的水泵系統(tǒng)和管網(wǎng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一穩(wěn)態(tài)的瞬間變化進行分析［8］。

3　基本參數(shù)

根據(jù)工程設計資料，雁棲泵站內裝置3臺臥式單級雙吸離心泵（2用1備），單泵額定流量為5m3/s，額定轉速為495.0rPm，轉輪直徑為1.40m，水泵設計揚程為55.1m。每臺泵后設置兩臺DN1600液控緩閉蝶閥。

泵后管線長22km，為DN2600mm的PCCP管道。管道糙率取0.012，波速a取1157m/s。PCCP管道縱斷面圖見圖1。管道全線共布置32臺排氣閥，排氣閥為DN250復合式，排氣孔徑為250mm。

圖1　PCCP管線縱斷面示意圖

雁棲泵站前池設計水位及PCCP管道末端調蓄池設計水位見表1。

表1　前池和末端調蓄池水位

在模擬及試運行期間雁棲泵站前池實測水位為60.30m，末端調蓄池實測水位為92.60m。本次模擬采用實測水位。

4　啟泵水錘模擬

由于本工程水泵不能調頻，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，啟泵前必須保證泵后管道內充滿水，否則會產(chǎn)生斷流彌合水錘，造成管道破裂。水泵啟動前應保持泵后液控緩閉蝶閥處于關閉狀態(tài)，然后啟動水泵，待水泵達到額定轉速后再打開泵后液控緩閉蝶閥。蝶閥打開時水流對管道沖擊會產(chǎn)生啟泵水錘。如果蝶閥開啟時間過短，則啟泵水錘造成的管道升壓超出規(guī)范的要求；如果蝶閥開啟時間過長，會使得水泵長時間處于空轉，蝶閥前承受壓力時間過長，蝶閥開啟過程中產(chǎn)生振動等。因此，確定一個合理的液控緩閉蝶閥開啟時間是啟泵水錘模擬的最終目的。本次分別對液控緩閉蝶閥線性開啟時間10s、60s、120s三種工況進行模擬計算。

經(jīng)計算，本工程水泵的比轉速為199.8，由于在HAMMER軟件中沒有比轉速為199.8的水泵的全特性曲線且軟件不能輸入新的水泵全特性曲線，為保證設備選型準確，本次分別選用HAMMER軟件中已帶的比轉速為169及208的水泵全特性曲線進行啟泵水錘模擬。

各種工況下管道沿線的最大壓力點及最大壓力值見表2。

表2　各種工況管道最大壓力統(tǒng)計表

通過模擬計算，本工程中管道的最大壓力對液控緩閉蝶閥開啟時間變化并不敏感，但是對水泵的比轉速變化較敏感。各種工況下管道最大壓力值均小于管道的最大設計壓力112m。綜合考慮操作方便、便于管理、保護設備、蝶閥漂移等因素，確定泵后液控緩閉蝶閥的自動化控制開啟時間為120s。

5　試運行試驗及模擬結果驗證

2015年8月14日10∶28分，雁棲泵站2#水泵及3#水泵先后開機。開機順序為：啟動2#水泵機組（閉閥造壓），達到額定轉速，90s（為實測時間、有漂移）線性開啟水泵后液控緩閉蝶閥，2#水泵機組啟動完成；6分鐘后，啟動3#水泵機組（閉閥造壓），達到額定轉速，60s（為實測時間、有漂移）線性開啟水泵后液控緩閉蝶閥，3#水泵機組啟動完成。在管道沿線共設置了壓力監(jiān)測點，以便監(jiān)測管道內的壓力變化。各壓力監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)見表3。各壓力監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)對比曲線見圖2～圖4。

由表3及圖2～4可以看到，管道在兩臺水泵啟動、液控緩閉蝶閥打開的過程中有一個明顯的升壓及波動過程。監(jiān)測結果基本位于水泵比轉速為169和208時模擬結果之間，且接近水泵比轉速為169的模擬結果。通過對試運行試驗監(jiān)測結果及計算模擬結果進行對比表明，在前期設計過程中應用HAMMER軟件分析泵站及管道系統(tǒng)的啟泵水錘過程的成果是可以滿足設計要求的。

圖2　泵站廠區(qū)內壓力監(jiān)測點實測壓力與模擬壓力對比曲線圖

圖3　2#空氣閥井壓力監(jiān)測點實測壓力與模擬壓力對比曲線圖

圖4　8#空氣閥井壓力監(jiān)測點實測壓力與模擬壓力對比曲線圖

表3　各壓力監(jiān)測點監(jiān)測及模擬最大壓力對比表

6　結語

通過對試運行試驗監(jiān)測結果及計算模擬結果進行對比表明，在前期設計過程中應用HAMMER軟件進行水錘模擬的成果是可以滿足設計要求的。但是由于軟件的局限性，在后期試運行及運行階段應考慮委托高等院?；蛘呖蒲性核葘I(yè)單位進行精確的水錘模擬，必要時進行物理模型試驗，以確保工程安全。

水錘模擬中涉及到的參數(shù)較復雜。設計人員一定要保持“大膽假設小心求證”的精神，對每一個參數(shù)進行研究，確定最合理的數(shù)值。在利用軟件進行水錘模擬中，由于軟件本身的限制，有些參數(shù)無法進行精確輸入，導致模擬結果與實際結果存在誤差，在模擬過程中一定要將工況考慮周全，以免遺漏控制工況，導致事故發(fā)生。

參考文獻

［1］金錐，姜乃昌，汪興華，等.停泵水錘及防護［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004-11.

［2］馬小云.波速對長距離輸水管道水力過渡過程的影響與研究［D］.西安：長安大學，2012（03）.

［3］趙向軍.長距離輸水工程水錘危害及防護措施［J］.水利技術監(jiān)督.2008（03）：28-30.

［4］王娜.泵站壓力管道的水錘研究［J］.水利規(guī)劃與設計.2016 （01）：85-88.

［5］張旭.核電廠長距離輸水管道管材選取和水錘防護措施探討［J］.給水排水.2014，40（03）：93-96.

［6］王玉林，劉元成.Bent1eyHAMMER軟件在泵站水錘防護中的應用［J］.中國水運.2012（09）：86-87.

［7］北京市水利規(guī)劃設計研究院.南水北調來水調入密云水庫調蓄工程項目建議書（代可行性研究報告）［R］.2011.

［8］田文軍，陳韜.HAMMER軟件在市政管道中的應用［J］.給水排水動態(tài).2007（04）：29-31.

作者簡介：楊曉蕾（1985年—），男，工程師。

收稿日期：2016-01-18

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.041

中圖分類號：TV732

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0116-03