壓輸水工程加壓泵站水力過渡數(shù)值模擬計算分析

郭曉紅

（山西省張峰水庫建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

1 工程概況

山西興縣工業(yè)基地水源地水資源綜合開發(fā)利用工程一期工程主要解決中鋁興縣氧化鋁項目的生產(chǎn)、生活用水及沿線居民的人畜飲水問題，是支撐興縣氧化鋁項目建成后正常生產(chǎn)和生活用水的保障性工程。

該供水工程從黃河灘地后彰河墕水源地開鑿大口井取水，嵐漪河入黃河口右岸灘地上的加壓泵站前池，再經(jīng)加壓泵站加壓后沿嵐漪河向上游至龍耳村東的氧化鋁項目蓄水池，年供水規(guī)模930.2萬m3。泵站壓力管線全長10.79 km，揚程75 m。全線采用泵站壓力管道單排輸水，管材為鋼管，管徑700 mm。

2 事故停泵水錘模擬計算

該工程以泵壓輸水為主，事故停泵水錘是計算的重點。停泵水錘模擬計算時，閥前的輸水管道壓力控制在1.3倍工作壓力以下，水泵的最高反轉(zhuǎn)數(shù)控制在1.25倍，以確定液控蝶閥的關(guān)閉時間及角度。經(jīng)模擬計算分析，研究管線設(shè)置是否合理，以確定各段管道工作壓力。

3 事故停泵水錘分析計算

加壓泵站進(jìn)水池設(shè)計水位780 m，出水池設(shè)計水位855 m，加壓泵站安裝水泵2臺（一工一備）。主管道長10660.5 m，管徑700 mm，管道壁厚12 mm，出水管閥門直徑450 mm，泵站凈揚程75 m，吸水高度6.7 m，設(shè)計揚程94 m，設(shè)計流量0.383 m3/s。

3.1 水錘波速

水錘波速計算公式為：

式中：α——水錘波傳播速度，m/s；

K——水的彈性模量，取2.06×109Pa；

E——管材彈性模量，鋼管為210×109Pa；

D——管道直徑，700 mm；

δ——管壁厚度，12 mm。

經(jīng)計算，該泵站管道水錘波速為1120 m/s。

3.2 事故停泵邊界條件及計算工況

該供水工程加壓泵站出口處裝有兩階段關(guān)閉蝶閥，事故停泵時閥門按預(yù)先的關(guān)閉程序關(guān)閉。下面分兩種情況對事故停泵的水錘分析計算。

一是一臺水泵運行，事故停泵出口閥門拒動作（閥門失控）情況下水錘分析計算，即無閥防護(hù)，事故停泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)、倒流。二是一臺水泵運行，事故停泵閥門按一定程序關(guān)閉水錘分析計算。通過分析計算，尋求發(fā)生事故停泵時閥門的最優(yōu)關(guān)閉程序。

3.3 事故停泵水錘分析計算

兩種工況計算結(jié)果見表1。

表1 加壓泵站事故停泵主要參數(shù)匯總表

3.4 計算結(jié)果分析

一臺水泵工作時，當(dāng)出口兩階段關(guān)閉閥拒動（失控）情況下，事故停泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)、倒流，機(jī)組的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.07倍，沒有超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。因此，不會對水泵機(jī)組造成大的破壞。

在出口兩階段關(guān)閉閥拒動（相當(dāng)于無閥防護(hù)）情況下，事故停泵出口斷面壓力升高不大，與水泵的額定揚程相當(dāng)。在距離加壓泵站9180 m處，出現(xiàn)局部壓力波動現(xiàn)象，最大壓力達(dá)86.28 m（相對于泵出口管中心線），不會造成大的破壞。

管道沿線各斷面均不同程度出現(xiàn)負(fù)壓，但無明顯大范圍水柱斷裂現(xiàn)象，不會對管道造成破壞。

泵站事故停泵蝶閥按最優(yōu)操作程序關(guān)閉，管道各斷面壓力變化較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)壓力起伏較大的情況。機(jī)組倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均小于額定轉(zhuǎn)速。

泵站事故停泵蝶閥按最優(yōu)操作程序關(guān)閉，沒有出現(xiàn)較大范圍內(nèi)水柱斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

第一，泵出口加裝兩階段的關(guān)閉蝶閥對高揚程、長距離管道的水錘防護(hù)效果明顯，在操作時應(yīng)嚴(yán)格按照計算操作程序進(jìn)行，該供水工程加壓泵站推薦的閥門最優(yōu)操作程序快關(guān)角度60°，快關(guān)角度30°，快關(guān)時間10 s，慢關(guān)時間50 s。第二，兩階段關(guān)閉蝶閥具有一閥多用的功能。正常運行時離心泵應(yīng)關(guān)閥起動，降低起動功率；停機(jī)時應(yīng)先關(guān)閉閥門，后停機(jī)，以防止水倒流、機(jī)組倒轉(zhuǎn)；出現(xiàn)事故時按預(yù)先的操作程序關(guān)閉閥門，不會對機(jī)組及管道產(chǎn)生破壞，起到一閥多用的目的。第三，泵站如果采用自動控制系統(tǒng)，應(yīng)按上述操作程序進(jìn)行調(diào)試，確保按正常程序操作。第四，管道應(yīng)按要求布設(shè)排氣補氣閥。

4.2 建議

第一，事故停泵水錘計算沒有考慮2臺水泵同時運行的情況，如果在實際工程中有可能出現(xiàn)這種情況，應(yīng)進(jìn)一步分析計算。

第二，5號排氣閥設(shè)在樁號H5+354.20處，6號排氣閥設(shè)在樁號H8+637.10處，兩排氣閥相距3282.9 m，建議在5號和6號排氣閥之間增加1~2個排氣閥。6號排氣閥與7號排氣閥之間的距離為2059.9 m，可考慮在中間增加1個排氣閥。