深汕合作區(qū)海豐取水泵站水力過渡過程計算分析

王朝昊

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510610）

我國水資源的分布不均衡,經(jīng)常會出現(xiàn)部分區(qū)域無水可用的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了人民正常生產(chǎn)和生活。為解決這一問題,人們通常會布置引水管道進(jìn)行長距離輸水,但往往由于地勢起伏的原因,僅依靠水自流是無法達(dá)到預(yù)期效果的,因此需設(shè)置取水泵站對管道內(nèi)水流進(jìn)行加壓,但由于管路距離較長,常常會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象,為保證輸水管網(wǎng)的安全性,需進(jìn)行水力過渡過程計算分析,以消除水錘帶來的不良影響[1]。

本文以深汕特別合作區(qū)拓展區(qū)供水（Ⅰ）期水陂及配套供水工程為研究背景,針對泵址至最高點的輸水管線進(jìn)行水力過渡過程計算分析,進(jìn)而提出合理的調(diào)壓措施,以保證輸水管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程概況

本泵站全系統(tǒng)主要由進(jìn)出水池、泵組、引水鋼管等組成,進(jìn)水管布置是先有一根總管引至廠房內(nèi),然后再分管接至各個泵組?？偣荛L約5 m,管徑1.1 m；出口支管長度約為5 m,管徑0.9 m；泵站至最高點的管線總長約6.72 km, 管徑為2.2 m。泵站配套3 臺（2 主1 備）臥式單級雙吸離心泵,水泵揚(yáng)程范圍為39.6 m～75.9 m,水泵額定轉(zhuǎn)速為980 r/min,泵組轉(zhuǎn)動慣量為424 kg·m2。

2 水力過渡過程計算原理及數(shù)值模型

2.1 有壓管道恒定流數(shù)值模型

本取水泵站輸水管道材質(zhì)為鑄鐵管,輸水方式為泵站加壓。本文采用伯努利能量方程進(jìn)行計算[2],公式為：

式中：Z1=1854 m（進(jìn)水池水位）；Z2=1895 m（出水池水位）；P1、P2均為大氣壓強(qiáng),即105Pa；v=0.4 m/s（流速）；hw經(jīng)初步估算,約為7 m（水力損失）。

2.2 水錘計算特征相容方程

水流運(yùn)行狀態(tài)基本計算方程為：

式中：H 為揚(yáng)程,68 m；Q 為流量,5500 m3/h；D 為管徑,2.2 m；A 為面積,3.8 m2；t 為時間；a 為波速；f 為摩擦系數(shù),0.5；β約等于37°。

2.3 水泵節(jié)點控制方程

對水泵全特性曲線作如下轉(zhuǎn)換處理：

式中：W 為揚(yáng)程,68 m；a 為水泵轉(zhuǎn)速 ,980 r/min；k1、k2為安全系數(shù),取1.1、0.5：β為水力力矩；y 為導(dǎo)葉開度,+10°。

本文針對海豐取水泵站,基于流體力學(xué)瞬變流理論,分別建立了有壓恒定流、水泵、水錘計算特征、水泵等控制方程,確立了水力計算邊界條件,并采用AFT 計算軟件模擬出該取水泵站全系統(tǒng)計算模型[3]。

3 無防護(hù)措施下水力過渡計算分析

3.1 計算工況選擇

海豐取水泵站輸水線路在實際運(yùn)行中有多種運(yùn)行工況,其中對管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定最具危害的為泵組忽然斷電且閥門沒有動作的工況,該工況下會帶來管線內(nèi)部的壓力及流量波動,當(dāng)壓力峰值超過管線所能承受的極限時,通常會發(fā)生爆管現(xiàn)象,對管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成惡劣影響。本文通過對比分析,最大楊程工況下管道壓力值為最大,因此本次選擇最大揚(yáng)程為計算工況,并對管線進(jìn)行水力過渡計算分析。最大揚(yáng)程工況原始計算參數(shù)表見表1。

表1 最大揚(yáng)程水泵事故停機(jī)計算參數(shù)表

本文按照進(jìn)出水池、泵組、閥門關(guān)閉規(guī)律等相應(yīng)參數(shù)來建立計算模型,其中輸水管道模擬按照實際所布置的管中心高程和樁號之間的管長進(jìn)行設(shè)置,以保證與管路實際走向基本一致。因計算模型過長,本次僅展示進(jìn)水池-泵房的成果,具體見圖1。

圖1 計算模型圖

3.2 二臺主水泵事故停機(jī)水力過渡分析

根據(jù)以上計算工況選擇分析,本次計算工況為兩臺主水泵同時抽水?dāng)嚯?閥門拒絕動作。輸水管線中管內(nèi)壓力分布見圖2；水頭與樁號對應(yīng)關(guān)系見圖3；泵轉(zhuǎn)速變化情況見圖4。

圖2 管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線

圖3 管線測壓管水頭包絡(luò)線

圖4 水泵轉(zhuǎn)速變化曲線

根據(jù)以上計算結(jié)果,在無調(diào)壓措施時,從管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線可以看出,輸水管線中最大壓力為103.74 m,樁號位置為4+083,根據(jù)規(guī)范《泵站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50265-2022）要求,最大壓力應(yīng)不超過額定壓力1.5 倍,即112.5 m,經(jīng)比較,尚未超過所允許的最大壓力；輸水管線中最小壓力為-25.43 m,根據(jù)規(guī)范要求管線應(yīng)不出現(xiàn)負(fù)壓,因此不滿足相關(guān)要求。

從水泵轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出,水泵抽水?dāng)嚯姽r下,因受管道內(nèi)水回流沖刷葉輪,泵組的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定值的1.2 倍,按照規(guī)范要求泵組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)不超過1.2 倍,即1176 r/min,因此不滿足相關(guān)要求。

綜合以上對管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線和水泵轉(zhuǎn)速變化曲線分析,本工程在無調(diào)壓措施時,無法滿足規(guī)范要求,因此需采取相應(yīng)措施,減少和消除因水錘現(xiàn)場造成的增壓和負(fù)壓,進(jìn)而保護(hù)管網(wǎng)安全穩(wěn)定。

4 有防護(hù)措施下水力過渡計算分析

在工程的調(diào)壓措施中,通常會選擇設(shè)置空氣罐和單向塔,但結(jié)合海豐取水泵站工程輸水距離較遠(yuǎn),管徑較大且地形起伏多變等特點,若選擇設(shè)置空氣罐,則罐體體積大,且安裝運(yùn)輸很不方便,因此本文選擇沿途擇點設(shè)置單向塔進(jìn)行調(diào)壓,原因在于可以不受地形、安裝基礎(chǔ)和規(guī)格的影響,可按照實際需求進(jìn)行設(shè)計,提高工程經(jīng)濟(jì)性。

4.1 單向塔布置方案

在輸水管線中設(shè)置單向塔的原則為沿程無負(fù)壓,在理論分析中,其高度不受限制,且越高對管路的保護(hù)距離越長,但高度太高,單向塔一旦出現(xiàn)較大的水錘現(xiàn)象,很有可能會誘發(fā)爆管事故,為避免該事故的發(fā)生及考慮經(jīng)濟(jì)性,單向塔高度應(yīng)在10 m 以下。通過對工程的具體理論分析,本工程共需設(shè)置兩座單向塔,其位置見表2。

表2 單向塔布置方案

4.2 水力過渡過程計算

本次按照所設(shè)單向塔進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及模型建立,另在水泵出口設(shè)置液控蝶閥,采用兩段折線關(guān)閉規(guī)律：5 s 由全開快速關(guān)閉至10%開度,55 s 慢關(guān)至0 開度,總關(guān)閉時間60 s。計算工況仍為最大揚(yáng)程下2 臺主水泵并聯(lián)運(yùn)行同時斷電,其中該工況下管內(nèi)壓力分布見圖5；水頭與樁號對應(yīng)關(guān)系見圖6；泵組出口壓力變化見圖7；水泵轉(zhuǎn)速變化見圖8；1#和2#單向塔液位變化分別見圖9 和圖10。

圖5 管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線

圖6 管線測壓管水頭包絡(luò)

圖7 水泵出口壓力變化曲線

圖8 水泵轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9 1#單向塔液位變化過程線

圖10 2#單向塔液位變化過程線

從管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線可以看出：管線水擊壓力升高,最大壓力102.63 m,未超過112.5 m,管線最小壓力為0.44 m,管線中沒有出現(xiàn)負(fù)壓；從水泵轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出：水泵最大反轉(zhuǎn)速度為-635.73 r/min,未超過額定轉(zhuǎn)速1.2 倍,且水泵出口壓力未出現(xiàn)負(fù)壓；從單向塔液位變化過程線可以看出：1#單向塔的起始水位為6.0 m,輸水管線平穩(wěn)運(yùn)行后水位維持在5.2 m；此時2#單向塔的起始水位為5.2 m,平穩(wěn)后的水位為2.6 m；綜合以上分析,在設(shè)置相應(yīng)調(diào)壓措施后,管線的各項值均滿足規(guī)范計算控制值要求。

5 結(jié)論

通過對該泵站系統(tǒng)有無保護(hù)措施過渡過程初步計算成果分析,該泵站做以下防護(hù)措施：當(dāng)在每臺水泵出口設(shè)置1 個兩階段關(guān)閉液控蝶閥時,在總管樁號DQ1+309.465 處設(shè)置1座直徑2.5 m,水位高度6 m,體積29.45 m3的單向塔；在總管樁號DQ6+264.162 處設(shè)置1 座直徑3.5 m,水位高度5.2 m,體積50 m3的單向塔；2 臺機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時突然掉電后,管線升壓、負(fù)壓和水泵倒轉(zhuǎn)都滿足計算控制值要求。