貴州省某高揚(yáng)程供水工程水錘分析

范小娟，宋培培

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽 550000)

高揚(yáng)程供水工程的輸水管線布置受工程地形影響，局部管線存在上凸布置。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，管道極易在凸起點(diǎn)處發(fā)生斷流彌合水錘。當(dāng)供水工程因事故斷電停機(jī)、運(yùn)行人員誤操作等因素，供水工程機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇下降、管道壓力急劇增大[1]，若不采取防水錘措施，將影響供水工程運(yùn)行穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)造成管道破壞、機(jī)組損壞等事故[2]。高揚(yáng)程供水工程，提水揚(yáng)程較高，輸水管線相對(duì)較長，因水力瞬變所引起的水錘將導(dǎo)致工程出現(xiàn)較高的水錘壓力，對(duì)工程管道、機(jī)組等損害較大，因此應(yīng)對(duì)高揚(yáng)程供水工程水錘進(jìn)行分析，并依據(jù)計(jì)算成果增設(shè)相應(yīng)防護(hù)措施[3]。葉知暉[4]通過優(yōu)化泵站工作閥門關(guān)閉規(guī)律、增設(shè)防護(hù)設(shè)備等防護(hù)措施，保證工程安全運(yùn)行；龍斌等[5]對(duì)高壓供水泵站水錘算法進(jìn)行研究；薛長青等[6]對(duì)長距離有壓管道輸水系統(tǒng)事故停機(jī)產(chǎn)生的水錘進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)防護(hù)措施。羅浩等[7]對(duì)高落差供水工程中末端閥門關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化分析，研究不同關(guān)閥規(guī)律下水錘的影響。

1 工程概況

貴州省某高揚(yáng)程供水工程年提水量4517萬m3，設(shè)計(jì)流量1.629 m3/s；供水工程設(shè)有一座泵站，泵站提水至高位水池后，通過重力流輸水管道自流至末端水廠；供水工程泵站上水管選用DN1300鋼管，重力流輸水管道選用DN1300的球墨鑄鐵管。泵站裝機(jī)4×1800 kW(3用1備)，額定揚(yáng)程240 m，額定流量0.543 m3/s，轉(zhuǎn)速1.0 Nr，上水管長度1.4 km，水泵效率85%，水泵出口設(shè)有DN500的工作閥門，水泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)見表1；高揚(yáng)程供水工程特征水位見表2，工程布置如圖1所示。

表1 水泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

表2 高揚(yáng)程供水工程特征水位

圖1 高揚(yáng)程供水工程布置圖

2 研究方法

2.1 水錘基本方程

非恒定流的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程如式(1)、式(2)[8-9]：

(1)

(2)

式中：H為管道水頭,m；V為管內(nèi)流速,m/s；D為管道直徑,m；g為重力加速度,m/s2；a為水錘波傳播速度,m/s；θ為管道中心線與水平面夾角,(°)；x為傳播距離,m；t為傳播時(shí)間,s;f為摩阻系數(shù)。

2.2 數(shù)值計(jì)算

特征線法根據(jù)常微分方程與偏微分方程邏輯關(guān)系[10]，由運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程換算為兩組常微分方程，分別表示正向水錘(C+)、反向水錘(C-)[11]，如式(3)～式(6)所示。

C+:HPi=CP-BQPi

(3)

C-:HPi=CM+BQPi

(4)

CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|

(5)

CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|

(6)

式中：B、R為計(jì)算常數(shù);CP、CM為綜合參數(shù);Hi-1、Hi+1為斷面i-1、斷面i+1處的水頭，m;Qi-1、Qi+1為斷面i-1、斷面i+1處的流量,m3/s。

3 結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算

當(dāng)泵站提水流量為1.629 m3/s，3臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，不同水位下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，水力坡度線如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)高揚(yáng)程供水工程管道壓力

由圖2可知，在不同凈揚(yáng)程條件下，沿線水力坡度線均位于管道中心線以上，各點(diǎn)均無負(fù)壓出現(xiàn)。管道內(nèi)靜水壓力隨管中心高程增加而逐漸降低，管道末端壓力高于管道軸線1.6 m，沿線壓力值未超過管道的承壓能力。

3.2 暫態(tài)計(jì)算

3.2.1 事故停機(jī)+閥門拒動(dòng)

泵站設(shè)計(jì)規(guī)范要求，機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速需小于1.2倍額定轉(zhuǎn)速，最大水錘壓力需小于1.5倍額定揚(yáng)程，輸水系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂[12]；機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速小于1.20 Nr，管道最大水錘升壓值小于1.50 Hr。

由圖3、圖4可知，供水工程3臺(tái)工作泵同時(shí)停機(jī)、閥門拒動(dòng)，且供水工程沒有增設(shè)防水錘設(shè)備工況下，機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速達(dá)1.30 Nr，出現(xiàn)在6 s左右；供水工程最大水錘壓力為1.46 Hr。當(dāng)供水工程在閥門拒動(dòng)、沒有增設(shè)防水錘設(shè)備工況下事故停機(jī)時(shí)，水錘壓力滿足規(guī)范要求，但最大反轉(zhuǎn)速較高，設(shè)備易受到破壞。

圖3 事故停機(jī)+閥門拒動(dòng)時(shí)管線水錘變化

圖4 事故停機(jī)+閥門拒動(dòng)時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化

3.2.2 事故停機(jī)+閥門分段關(guān)閉

優(yōu)化閥門關(guān)閉規(guī)律，分析不同分段關(guān)閉規(guī)律下水錘，依據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合適的管材、壁厚、機(jī)組壓力等級(jí)，以保證整個(gè)供水工程安全穩(wěn)定運(yùn)行[13]。本工程提水揚(yáng)程較高，管線相對(duì)較長?？紤]閥門關(guān)閉時(shí)間，該供水工程發(fā)生的水錘為間接水錘；建議采用分段關(guān)閉，通過調(diào)整第一段的快關(guān)時(shí)間，保證機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速滿足規(guī)范要求，通過延長第二段的慢關(guān)時(shí)間，降低最大水錘升壓值；快關(guān)時(shí)間、慢關(guān)時(shí)間指閥門開度從全開狀態(tài)以一定速度關(guān)至全關(guān)狀態(tài)所需時(shí)間。

由表3可知，閥門采用分段關(guān)閉時(shí)，當(dāng)慢關(guān)時(shí)間不變，隨快關(guān)時(shí)間增加則機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速增大，最大水錘壓力減??；當(dāng)快關(guān)時(shí)間不變，隨慢關(guān)時(shí)間增加則機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速增大，最大水錘壓力減小。

表3 分段關(guān)閥規(guī)律下水錘計(jì)算

依據(jù)水錘計(jì)算結(jié)果，當(dāng)發(fā)生事故停機(jī)時(shí)閥門關(guān)閉規(guī)律選擇4 s-0.1-60 s，見圖5、圖6；此時(shí)機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速為1.17 Nr、閥后最大壓力為1.49 Hr，均滿足要求；管線最大水錘壓力均小于1.50 Hr，管路沿線未出現(xiàn)水柱斷裂。

圖5 閥門4 s-0.1-60 s分段關(guān)閉時(shí)管線水錘變化

圖6 閥門4 s-0.1-60 s分段關(guān)閉時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化

4 結(jié) 論

(1)供水工程3臺(tái)工作泵同時(shí)停機(jī)、閥門拒動(dòng)，且供水工程沒有增設(shè)防水錘設(shè)備工況下，機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速達(dá)1.30 Nr，供水工程最大水錘壓力為1.46 Hr。機(jī)組反轉(zhuǎn)速超過規(guī)范最大反轉(zhuǎn)速要求，供水工程最大水錘壓力達(dá)到1.46 Hr；水錘壓力滿足規(guī)范要求，但最大反轉(zhuǎn)速較高，設(shè)備易受到破壞,應(yīng)避免此類事故發(fā)生。

(2)當(dāng)發(fā)生事故停機(jī)時(shí)閥門關(guān)閉規(guī)律選擇4 s-0.1-60 s，機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速為1.17 Nr、閥后最大壓力為1.49 m，均滿足要求；管線最大水錘壓力均小于1.5 Hr，管路沿線未出現(xiàn)水柱斷裂。

依據(jù)水錘計(jì)算成果，選取4 s-0.1-60 s關(guān)閥規(guī)律，機(jī)組最大反轉(zhuǎn)速、最大水錘壓力均滿足規(guī)范要求，沿線未出現(xiàn)水柱斷裂。