高壓輸水系統(tǒng)泵后液控緩閉閥開關(guān)速度探討

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 引 言

大伙房水庫輸水(二期)工程是解決遼寧省中南部地區(qū)水資源短缺的重大輸配水工程，全長261km，全線密閉有壓，采用重力流和泵組加壓相結(jié)合的輸水方式，為沿線撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等地區(qū)供水。由于工程輸水線路的不斷延伸，水流至鞍山時(shí)重力水頭已不能滿足下游的正常輸水，因此，在鞍山建立了加壓泵站，保證下游供水。

鞍山加壓泵站共設(shè)兩座泵房，其中鞍山分支泵房共設(shè)3臺(tái)變頻泵組，兩主一備。為控制泵組啟停過程產(chǎn)生的水錘影響，泵出口檢修閥前加設(shè)了液控緩閉閥(見圖1)。由于大伙房水庫輸水系統(tǒng)全線密閉且無任何調(diào)蓄設(shè)施，液控緩閉閥的設(shè)置，不僅有效防護(hù)了水擊對設(shè)備的損壞，同時(shí)也保護(hù)了整個(gè)輸水系統(tǒng)安全。

圖1 鞍山分支泵組及液控緩閉閥工藝布置

液控緩閉閥的關(guān)閉采用折線關(guān)閥規(guī)律[3]，分為快、慢兩個(gè)階段。折線關(guān)閥不能減小最大水錘，但在一定程度上可提高輸水系統(tǒng)的動(dòng)作響應(yīng)速度。合理有效設(shè)置液控緩閉閥開關(guān)時(shí)間是防止水錘產(chǎn)生的關(guān)鍵，而折線關(guān)閥時(shí)其折點(diǎn)和直線段斜率的選擇決定了最終的關(guān)閥時(shí)間。

2 液控緩閉閥開關(guān)速度影響因素

當(dāng)執(zhí)行泵組停供調(diào)度或因事故泵組突然掉電等出現(xiàn)停機(jī)時(shí)，鞍山分支泵后液控緩閉閥關(guān)閥速度應(yīng)主要考慮關(guān)閥引起的泵前干線水錘、泵組的加壓水平與供水流量的大小、干線穩(wěn)壓塔對水擊的消減作用、管網(wǎng)的管長及管徑參數(shù)等因素。

2.1 管道內(nèi)水擊壓力升值

2.1.1 直接水擊(完全水擊)

當(dāng)t

Δp=ρc(v0-v1)

式中：t為換向時(shí)間，即閥門關(guān)閉或開啟的時(shí)間,s；T=2L/c，即當(dāng)管道長為L時(shí)，水擊波往返所需的時(shí)間,s；Δp為管內(nèi)水擊壓力最大升值,m；ρ為水的密度,kg/m3；c為水擊波速,m/s；v0為初始斷面流速,m/s；v1為關(guān)閥斷面流速,m/s。

2.1.2 間接水擊(非完全水擊)

當(dāng)t>T時(shí)，管道內(nèi)水擊為間接水擊，管內(nèi)水擊壓力最大升值為

Δp=ρc(v0-v1)T/t

式中各符號(hào)意義同上。

2.2 關(guān)閥引起的干線水錘

當(dāng)執(zhí)行停泵調(diào)度或事故停泵時(shí)，液控緩閉閥關(guān)閥引起干線水錘，水擊波速c取值1480m/s；v0(m/s)為初始泵后斷面流速；v1(m/s)為開始關(guān)閥泵后斷面流速。

在長距離輸水工程中，關(guān)閥過程管道出現(xiàn)線路充填，直接水擊大小與關(guān)閥時(shí)間密切相關(guān)，關(guān)閥時(shí)間越短，系統(tǒng)產(chǎn)生的水錘壓力越大；最大水錘壓力滯后于關(guān)閥結(jié)束時(shí)刻，滯后時(shí)間與關(guān)閥時(shí)間存在聯(lián)系。間接水擊時(shí)，更容易產(chǎn)生線路充填，而且關(guān)閥時(shí)間越短，線路充填所占的比例越大；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間大于某一數(shù)值時(shí)，間接水錘壓力值可能超過直接水錘。

2.3 干線穩(wěn)壓塔對水擊的消減

穩(wěn)壓塔對長距離輸水管線的水擊有著消減作用，在水擊的傳播過程中，閥門的關(guān)閉速度不僅需要考慮水流流速的變化，還需注意調(diào)壓塔對水擊的消減影響。穩(wěn)壓塔與閥門越近，閥門管段的壓力越小，由此產(chǎn)生的振蕩幅度也越小。當(dāng)穩(wěn)壓塔的距離一定時(shí)，閥門的開關(guān)速度對水擊強(qiáng)度有顯著影響。

2.4 泵組加壓水平與供水流量

鞍山分支泵后支線管段邊界參數(shù)：管線長L=12500m，管徑D=1.40m，鞍山支線水廠穩(wěn)壓溢流井水位為37.40m，鞍山分支泵房泵后當(dāng)?shù)馗叱虨?.62m。

鞍山支線供水流量與供水保證水頭關(guān)系式為

(H-37.4)=6.91Q2

式中：Q為鞍山支線供水流量,m3/s；H為供水保證水頭，亦即泵組加壓運(yùn)行時(shí)泵后水頭,m。當(dāng)鞍山支線達(dá)到設(shè)計(jì)供水量15萬m3/d(即1.74m3/s)時(shí)，支線供水保證水頭至少為57.2m。

2.5 管網(wǎng)參數(shù)

2.5.1 管線長度對水擊的影響

管道的長度主要對管道中的水擊波來回傳播的總時(shí)長有很大的影響，從而也對水擊波的周期變化有一定影響。隨著管線長度的增加，管道的最大水擊壓力下降。對于水擊波的周期而言，管道長度越長，水擊波的周期也相應(yīng)變長，而且與此同時(shí)關(guān)閥的時(shí)間不斷減少，這樣就使得間接水擊向直接水擊靠近。在長輸管線中，可以通過慢關(guān)閥門減小水擊壓力[6]。

2.5.2 管徑對水擊的影響

在流量不變的情況下，管徑主要會(huì)對管道中水體的流速產(chǎn)生影響。通常情況下，管徑越大，流速越小；反之則越大。管道管徑對減少關(guān)閥引起的水擊壓力有較為明顯的作用。

3 工程實(shí)例水力過渡分析

實(shí)例事件過程：2017年1月26日，鞍山分支泵組運(yùn)行過程中，突然出現(xiàn)變頻器斷電停機(jī)事故，當(dāng)時(shí)鞍山分支3號(hào)泵單泵加壓運(yùn)行，泵前水頭為30.60m，泵后水頭為46.15m，轉(zhuǎn)速為490r/min，支線供水流量為1.50m3/s。

停泵關(guān)閥期間干線及泵后壓力曲線如圖2所示。鞍山支線流量(Q鞍支)、泵后壓力(p泵出)及干線壓力(距離鞍山支線泵組最近干線6號(hào)穩(wěn)壓塔高程)變化情況如表1所列。

圖2 停泵關(guān)閥過程泵出口、6號(hào)塔壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖2可以看出：16時(shí)3分3號(hào)泵組轉(zhuǎn)速直線下降，16時(shí)4分泵后壓力降至最低，此時(shí)泵組停機(jī)；由于關(guān)閥引起的壓力波迅速在干線傳播，30s后6號(hào)穩(wěn)壓塔水位顯著上升；在16時(shí)4分至16時(shí)6分之間，干線壓力持續(xù)升高，期間增幅最大；在泵組完全停機(jī)之后，旁路閥門開啟，泵后壓力與干線6號(hào)穩(wěn)壓塔壓力同步上升，在16時(shí)11分趨于平穩(wěn)，6號(hào)穩(wěn)壓塔壓力升至最大35.90m。

表1 停泵關(guān)閥期間Q鞍支、p泵出、H6號(hào)變化情況

續(xù)表

從表1數(shù)據(jù)可以看出： 在分支泵組掉電過程中，6號(hào)穩(wěn)壓水位隨著鞍山支線供水流量的減小，由29.86m上升至35.92m，歷時(shí)約8min；與之相對，當(dāng)3號(hào)泵組出現(xiàn)掉電時(shí)，泵后出口壓力由初始的47.20m瞬間下降至最低28.95m，最終在6號(hào)塔及鞍山支線旁路重力流的聯(lián)合補(bǔ)水下達(dá)到一個(gè)壓力平衡35.9m。

事實(shí)表明，液控緩閉閥的關(guān)閥不宜過早，否則不利于干線通過6號(hào)塔的補(bǔ)水平壓。考慮到鞍山老虎山水廠穩(wěn)壓溢流井水位37.40m及6號(hào)穩(wěn)壓塔運(yùn)行低水位30m水平，加之液控緩閉閥慢關(guān)大大減緩干線水錘，蝶閥的快關(guān)效益低于慢關(guān)。

另外需要注意的是，當(dāng)泵組加壓達(dá)到某一水位時(shí)，泵組突然掉電泵后水頭可能會(huì)驟降至8.62m以下，此時(shí)將導(dǎo)致管段出現(xiàn)局部負(fù)壓或者斷流，應(yīng)綜合考慮干線水錘及泵后斷流彌合水錘，重新調(diào)整關(guān)閥速度。

4 鞍山分支泵后液控緩閉閥關(guān)閥推薦速度

綜合理論計(jì)算和實(shí)際水力過渡分析，在鞍山支線的供水量不大于設(shè)計(jì)供水量時(shí)，液控緩閉閥宜按照0.38m3/(s·min)的速度設(shè)置開關(guān)總時(shí)長，其中關(guān)閥時(shí)以30%時(shí)長快關(guān)70%閥門開度，70%時(shí)長慢關(guān)30%閥門開度，避開關(guān)閥水錘對干線的不利影響。若當(dāng)前供水流量為Q，則此時(shí)泵后液控緩閉閥開關(guān)時(shí)間為Q/0.38min。鞍山分支泵組泵后液控緩閉閥關(guān)閥時(shí)間見表2。

表2 鞍山分支泵組泵后液控緩閉閥關(guān)閥時(shí)間

注關(guān)閥時(shí)間的起始時(shí)間為停泵瞬間。

5 結(jié) 論

液控緩閉閥作為預(yù)防和緩減管道水錘的重要水力部件，在密閉有壓管道工程中被廣泛應(yīng)用。合理有效設(shè)置液控緩閉閥的開關(guān)時(shí)限，是防止水錘的關(guān)鍵。通過水擊波的理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際工況分析認(rèn)為，加壓泵組之后液控緩閉閥的開關(guān)時(shí)限的設(shè)置須綜合考慮管線內(nèi)水擊壓力的最大升值、泵組的加壓水平、供水流量的大小、干線的穩(wěn)壓設(shè)施、輸水管線的工藝參數(shù)等因素。在一定范圍內(nèi)，液控緩閉閥的開關(guān)時(shí)間可按與流量成線性關(guān)系進(jìn)行處理。