長距離輸水管道水力過渡分析及水錘防護(hù)措施研究

廖功磊，鐘林濤，蔣輝霞，余 欣

(1.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610063；2.四川省農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，成都 610063;3.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610063)

0 引 言

水電站與泵站在水力機(jī)組過渡過程下，將引起系統(tǒng)內(nèi)水壓力、轉(zhuǎn)速等一些參數(shù)的異常升高，從而發(fā)生輸水管道破裂和機(jī)組部件破壞等嚴(yán)重安全事故。在泵站中，水泵由于突發(fā)性斷電事故而突然甩負(fù)荷，如果泵站中沒有設(shè)置液控緩閉蝶閥，輸水管內(nèi)水大量倒灌至進(jìn)水池將引起機(jī)組長時(shí)間倒轉(zhuǎn)而燒壞電機(jī)，嚴(yán)重時(shí)將淹沒泵房；如果液控緩閉蝶閥關(guān)閥過程過快，將導(dǎo)致較大的彌合水錘發(fā)生。因此，研究泵站水力過渡過程下水壓力和轉(zhuǎn)速等變化規(guī)律，對提出合理的關(guān)閥規(guī)律、是否增設(shè)調(diào)壓設(shè)備等措施起到至關(guān)重要的作用[1-3]。

多水泵并聯(lián)的長距離輸水管道工程具有輸水管線長、流量大、管道沿線起伏大、設(shè)計(jì)揚(yáng)程高等特點(diǎn)，加之水泵機(jī)組數(shù)量較多，由事故停電而引起的水力過渡過程較為復(fù)雜。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，提出合理的水錘防護(hù)手段對保障泵站安全、減少泵站建造成本都具有重要意義。在長距離輸水管道系統(tǒng)中，常用的水錘防護(hù)手段包括增大水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、合理設(shè)置關(guān)閥規(guī)律、安裝空氣閥與單向調(diào)壓塔等。如張毅鵬等[4]研究了5臺(tái)水泵并聯(lián)的6 km輸水管道停泵水錘，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置關(guān)閥規(guī)律與安裝空氣閥和單向調(diào)壓塔能明顯降低停泵水錘造成的危害；王玲等[5]通過研究壓力波動(dòng)預(yù)止閥的關(guān)閉特性，發(fā)現(xiàn)具有減速關(guān)閉特性的預(yù)止閥更有利于水錘的防護(hù)。由于不同泵站基本條件的差異性，采取何種防護(hù)措施需對其進(jìn)行詳盡的計(jì)算，本文結(jié)合工程實(shí)例，對斷電事故下3臺(tái)水泵并聯(lián)的17.60 km長距離輸水管道進(jìn)行水力過渡過程分析與計(jì)算，并提出相應(yīng)的水錘防護(hù)措施。

1 工程概況

四川某水廠清水輸水管線從凈水廠至加壓泵站線路總長度約17.60 km，輸水管材為DN1400的Q235A焊接鋼管，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa。凈水廠內(nèi)安置4臺(tái)同型號單級雙吸清水離心泵(3用1備)，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1 945 m3/h，其具體參數(shù)如表1所示。凈水廠內(nèi)3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，輸水管為單管布置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為5 835 m3/h，其輸水管線沿地形布置情況如圖1所示。該水廠泵出口設(shè)置液控蝶閥，管道沿線高處均設(shè)置有復(fù)合式雙口排氣閥，排氣閥布置原則為每500 m設(shè)置一個(gè)。

表1 水泵技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Pump parameters

圖1 輸水系統(tǒng)管道縱剖圖Fig.1 Profile of pipe

2 水力過渡過程計(jì)算模型

2.1 水泵全特性曲線

一般的，含水泵機(jī)組的長距離輸水管道系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要設(shè)置水泵的邊界條件，為了表示水泵在各種運(yùn)行工況的特性，引入WH～x、WB～x坐標(biāo)的水泵全特性曲線[6]。由于從制造者那里得不到泵的全特性資料，只能通過已知比轉(zhuǎn)速泵的數(shù)據(jù)引申，文獻(xiàn)[7-9]給出了水泵全特效曲線換算方法。已知國際單位比轉(zhuǎn)速ns公式為：

(1)

式中：轉(zhuǎn)速n的單位為r/min，揚(yáng)程H的單位為m，流量Q的單位為m3/s(雙吸泵在計(jì)算比轉(zhuǎn)速時(shí)，流量需除以2)。得到該水廠3臺(tái)單級雙吸離心泵比轉(zhuǎn)速為ns=26，由文獻(xiàn)8得到該型號水泵Suter曲線如圖2所示。

圖2 ns=26泵全特性曲線Fig.2 The complete characteristic curve of ns=26

相應(yīng)的，由Thorley[10]給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到該水廠3臺(tái)水泵葉輪慣量Ip=12.59 kg·m2、電機(jī)慣量Im=31.8 kg·m2。

2.2 水錘波速

水錘波速采用不可壓縮薄壁彈性管水擊波速計(jì)算公式[8]，并假設(shè)整個(gè)管線錨定而不能縱向位移，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：ψ為無量綱參數(shù)，取決于管道的彈性特征；E為管壁楊氏彈性模量；K為液體的體彈性模量；ρ為液體密度；v為泊松比。其中，無量綱參數(shù)ψ通過以下公式確定：

(3)

式中：D為管道直徑；e為管壁厚度，計(jì)算求得輸水管道內(nèi)水錘波速為1 012.04 m/s。

2.3 邊界條件及計(jì)算方法

管道系統(tǒng)非恒定流水錘方程采用特征線法進(jìn)行求解，水泵邊界條件由水泵的水頭平衡方程及慣性方程組成，進(jìn)出水池、管道并聯(lián)節(jié)點(diǎn)等邊界條件采用相鄰管端的正、負(fù)特征方程和邊界點(diǎn)的水力特性方程聯(lián)立求解，相應(yīng)的建立液控蝶閥、單向調(diào)壓塔和排氣閥的邊界條件。

3 結(jié)果與討論

3.1 無防護(hù)措施

假設(shè)工程未增設(shè)任何防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)生事故停泵時(shí)泵出口蝶閥未能及時(shí)關(guān)閉，對工程進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為300 s。圖3為無防護(hù)措施下事故停泵的無量綱轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程隨時(shí)間變化曲線，從圖3中可以看出，水泵在16.89 s后進(jìn)入水輪機(jī)工況，葉輪倒轉(zhuǎn)，最高倒轉(zhuǎn)速度為額定轉(zhuǎn)速的1.4倍，超過《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的離心泵最高倒轉(zhuǎn)速度不超過額定轉(zhuǎn)速1.2倍的要求。水泵在10.69 s后開始倒流，最大倒泄流量為額定流量的0.8倍；最大揚(yáng)程為額定揚(yáng)程的1.64倍，超過規(guī)范規(guī)定的1.5倍。由圖4可以看出，事故停泵后，泵出口閥門發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象，最大空腔體積為45 m3，水錘壓力為0.76 MPa(約78m水柱高度)?？梢?，在無水錘防護(hù)裝置下，管道內(nèi)不僅出現(xiàn)液柱分離現(xiàn)象產(chǎn)生較大水錘，而且管道內(nèi)水大量倒灌至進(jìn)水池引起水泵倒轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)將燒壞電機(jī)；因此，該水廠必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

圖3 事故停泵水力過渡計(jì)算結(jié)果Fig.3 Results of hydraulic Transient Process of pump-stopping

圖4 事故停泵閥門出口空腔與壓力對比Fig.4 Pressure and cavity volume comparison of pump-stopping

3.2 二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥聯(lián)合防護(hù)措施

大量實(shí)驗(yàn)與研究顯示[1,5]，合理布置空氣閥與設(shè)置閥門關(guān)閉規(guī)律能有效降低水錘壓力。輸水管路沿線設(shè)置空氣閥，同時(shí)，擬在泵出口設(shè)置4種不同關(guān)閉規(guī)律的液控蝶閥，4種方案均采用二階段線性關(guān)閉；其閥門不同關(guān)閉規(guī)律下最大水錘壓力結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯煌P(guān)閥規(guī)律下，輸水管道內(nèi)依然存在較大的水錘壓力，但由于空氣閥的存在，最小水錘壓力大于氣化壓力。

事故停泵出口蝶閥10 s快關(guān)70度與90 s慢關(guān)20度二階段關(guān)閥水力過渡過程計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，泵出口蝶閥關(guān)閉后，閥門出口壓力迅速下降，最低壓力為8.43 kPa，略高于常溫下水氣化壓力2.062 kPa；隨后壓力迅速增加，最大水錘壓力為1.36 MPa，大于輸水管道的設(shè)計(jì)壓力。

表2 不同關(guān)閥規(guī)律水力過渡計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of hydraulic transient process of different method for closing-valve

在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥措施下，管線最大水錘壓力出現(xiàn)在樁號J39，距凈水廠4 216.24 m處，其壓力隨時(shí)間分布曲線如圖5(b)所示。100 s液控蝶閥徹底關(guān)閉后，管道內(nèi)產(chǎn)生了較大的水錘，水錘壓力為1.59 MPa，大于管道設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa。相對于事故停泵無防護(hù)措施下泵出口產(chǎn)生空腔，空氣閥一定程度上能防止管道內(nèi)壓力降低到氣化壓力以下，但仍然無法降低最大水錘壓力。而不同關(guān)閥規(guī)律能一定程度上降低最大水錘壓力，但改善效果有限，這是因?yàn)樵摴こ叹哂休^長的輸水系統(tǒng)，且沿線起伏大；關(guān)閥后，大量空氣進(jìn)入管道內(nèi)形成更為復(fù)雜的氣液兩相流。因此，該工程應(yīng)采取其他防護(hù)措施。

圖5 10 s/70°，90 s/20°關(guān)閥水力過渡計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of hydraulic Transient Process of closing valves for 10 s/70°,90 s/20°

3.3 單向調(diào)壓塔防護(hù)措施

在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥防護(hù)措施基礎(chǔ)上，于壓力輸水管道J3節(jié)點(diǎn)距泵房300 m第一個(gè)拐點(diǎn)處設(shè)置單向調(diào)壓塔一座，調(diào)壓塔直徑為4 m，高5.5 m。單向調(diào)壓塔距地面高度約2 m，單向調(diào)壓與壓力輸水管道間通過DN300鋼管連接，連接處設(shè)置止回閥，防止管道內(nèi)水涌入單向調(diào)壓塔內(nèi)。事故停泵后其泵閥門壓力隨時(shí)間分布如圖6所示，可以看出，設(shè)置單向調(diào)壓塔之后，泵出口閥門處壓力在0.1～0.7 MPa之間波動(dòng)，最大壓力小于管道設(shè)計(jì)壓力；最小壓力遠(yuǎn)大于常溫下水氣化壓力，即設(shè)置單向調(diào)壓塔之后，在事故停泵后，泵出口蝶閥關(guān)閉，管道內(nèi)不再發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象。從圖7可以看出，事故停泵發(fā)生之后，調(diào)壓塔內(nèi)水位迅速下降向管道內(nèi)補(bǔ)水，總補(bǔ)水量61.64 m3。通過與圖5與圖6進(jìn)行對比可知，事故停泵后單向調(diào)壓塔通過向管道內(nèi)補(bǔ)水，避免了事故停泵時(shí)彌合水錘的產(chǎn)生；相對于設(shè)置空氣閥下，單向調(diào)壓塔在降低水錘壓力的效果更加明顯。因此，該工程增設(shè)單向調(diào)壓塔能有效避免停泵水錘對輸水管路系統(tǒng)造成破壞。

圖6 泵出口閥門壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Pressure drop history at pump outlet valve

圖7 調(diào)壓塔水量隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Volume drop history of surge tank

4 結(jié) 論

對四川某水廠17.60 km輸水管道及機(jī)組進(jìn)行事故停泵的水力過渡過程計(jì)算，結(jié)果表明：

(1)無水錘防護(hù)裝置下，事故停泵時(shí)水泵倒轉(zhuǎn)速度為額定轉(zhuǎn)速的1.4倍，倒泄流量為額定流量的0.8倍。事故停泵后管道內(nèi)將發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象，最大空腔體積為45 m3，最大水錘壓力為0.76 MPa。其結(jié)果不符合《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

(2)空氣閥在事故停泵后，能防止管道內(nèi)水壓力低于氣化壓力；改善泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律不能使輸水管道內(nèi)最大水錘壓力降低到合理范圍之內(nèi)，輸水管道內(nèi)最大水錘壓力大于輸水管道的設(shè)計(jì)壓力。

(3)在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥的基礎(chǔ)上設(shè)置單向調(diào)壓塔，能有效消除事故停泵后管道內(nèi)液柱分離再彌合現(xiàn)象，管道內(nèi)最大水錘壓力均小于輸水管道設(shè)計(jì)壓力，防水錘效果明顯，該工程中應(yīng)當(dāng)采用。