大型泵站管道水力過渡過程計(jì)算及防護(hù)研究

丁銀劍

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆YE供水二期輸水工程SS段線路全長(zhǎng)106.055km，主要由SJZ泵站、壓力管道、輸水隧洞及尾部KMS水庫等建筑物組成。

SJZ泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為186m，泵站內(nèi)共安裝6臺(tái)(四用兩備)主泵及2臺(tái)充水泵，泵后分別設(shè)有DN1200及DN700軸流式止回閥。主泵采用臥式雙級(jí)雙吸離心泵，單泵流量為3.25m3/s。充水泵采用臥式單級(jí)雙吸離心泵，單泵流量為1m3/s。3臺(tái)主泵并聯(lián)在一根管路上，正常工況下，單根管路上為2臺(tái)流量為3.25m3/s的主泵并聯(lián)運(yùn)行或1臺(tái)主泵與1臺(tái)充水泵并聯(lián)運(yùn)行，出水管路總水頭損失約為0.2447×Q2。

泵后壓力管道總長(zhǎng)11.16km，為DN2400壓力鋼管，雙管并行布置，設(shè)計(jì)流量為13m3/s，最大工作壓力為1.98MPa。管道出口為2600m3的出水池。

為減少水錘防護(hù)的難度，壓力管道在布置上避免了兩頭低、中間高的凸點(diǎn)，基本為一路上坡，前半段較為平緩，后半段進(jìn)入山區(qū)后較陡，由于地形原因，全線縱向共布置4個(gè)上折點(diǎn)(膝部)。

2 問題的提出

在長(zhǎng)距離、大流量、高揚(yáng)程輸水管路中，水錘現(xiàn)象是影響工程安全運(yùn)行不可忽視的重要因素，尤其是突發(fā)性的事故停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的停泵水錘，將會(huì)造成離心泵反轉(zhuǎn)，引發(fā)管道內(nèi)流速的瞬時(shí)變化，從而引起管壓的急劇升高或降低，并引發(fā)反復(fù)交替性的水錘力。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)泵站機(jī)組、管道及其附屬設(shè)備造成破壞，因此，如何選擇安全、可靠的水錘防護(hù)措施，對(duì)于長(zhǎng)距離、高揚(yáng)程輸水管路至關(guān)重要。本文重點(diǎn)分析SJZ泵站事故停泵時(shí)的水錘防護(hù)措施。

3 水錘防護(hù)措施的選擇

根據(jù)國內(nèi)當(dāng)前水錘防護(hù)技術(shù)水平和通用防護(hù)措施，常見的事故停泵水錘防護(hù)措施包括：泵后止回閥、單(雙)向調(diào)壓塔、調(diào)壓罐、空氣閥、超壓泄壓閥及箱式雙向調(diào)壓塔等。

3.1 止回閥

(1)液控緩閉止回閥(兩階段關(guān)閉)：泵站停泵后，水流從正向流動(dòng)變?yōu)槟嫦蛄鲃?dòng)，為了降低關(guān)閥水錘，泵后緩閉止回閥分兩階段關(guān)閉，80%左右快關(guān)，20%左右慢閉，以降低動(dòng)態(tài)水壓至較低水平。

(2)軸流式止回閥(速閉)：“零流速”關(guān)閉，能防止水泵及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)閥盤關(guān)閉不會(huì)產(chǎn)生巨大的水擊力，從而實(shí)現(xiàn)靜音效果，其最大功能是消除了由流速變化引起的水錘升壓。

3.2 雙向調(diào)壓塔

雙向調(diào)壓塔既可在管道低壓時(shí)向管道內(nèi)注水，防止管道出現(xiàn)斷流，避免出現(xiàn)斷流彌合水錘，也可以在管道出現(xiàn)過高的正壓水錘波時(shí)，消減過高的水錘升壓，是較好的水錘防護(hù)措施之一。

3.3 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔僅能防止管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，而對(duì)管道出現(xiàn)正壓波沒有作用。且應(yīng)注意冬季保溫，逆止閥及液控閥需定期維護(hù)。

3.4 空氣罐

空氣罐為密閉的高壓容器，其上部為高壓氣體，下部為水體，底部通過連通管與主管道相連，隨著管路中壓力的變化，氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管道中過高壓力，抗水錘原理上與雙向調(diào)壓塔類似。其構(gòu)造簡(jiǎn)單，自動(dòng)運(yùn)行，避免了如水錘消除器等裝置因設(shè)備故障或人為原因造成的事故。

3.5 箱式雙向調(diào)壓塔

箱式雙向調(diào)壓塔實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)閥門。管道超壓時(shí)泄水降壓，相當(dāng)于泄壓閥的功能；當(dāng)管道負(fù)壓時(shí)，打開閥門向管道內(nèi)補(bǔ)水，相當(dāng)于單向調(diào)壓塔的功能。由于本工程管道均是仰坡，根據(jù)水錘防護(hù)初步分析管道沿線防護(hù)任務(wù)主要為消除負(fù)壓。箱式雙向調(diào)壓塔在消除負(fù)壓時(shí)需另設(shè)補(bǔ)水池配合工作，其工程布置比單向調(diào)壓塔相對(duì)復(fù)雜。

通過以上分析，并結(jié)合大量的工程，實(shí)踐表明，長(zhǎng)距離輸水管線的水錘防護(hù)不可能單獨(dú)依靠一種設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，必須依靠多種水錘防護(hù)設(shè)備互相協(xié)調(diào)、互相配合才能有效地對(duì)水錘進(jìn)行防護(hù)。

針對(duì)本工程的特點(diǎn)，選擇的調(diào)壓設(shè)施為：軸流式止回閥+雙向調(diào)壓塔+空氣罐，空氣閥及超壓泄壓閥只作為安全儲(chǔ)備措施，不參與水力過渡過程計(jì)算。

4 計(jì)算分析

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

泵站進(jìn)、出水池水位級(jí)水泵機(jī)組主要參數(shù)見表1—2。

表1 泵站進(jìn)、出水池水位

表2 水泵機(jī)組主要參數(shù)

4.2 計(jì)算原則

根據(jù)規(guī)范并結(jié)合本工程特點(diǎn)，本工程水力過渡過程計(jì)算原則如下：

(1)根據(jù)管道承壓能力，沿線最大壓力不超過260m水頭。

(2)管道沿線管頂最小壓力不小于2m水頭。

(3)離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2min。

4.3 計(jì)算工況

工況組合見表3。

表3 工況組合

4.4 計(jì)算過程

根據(jù)工程布置，擬定在管線中后部設(shè)置一處空氣罐和一處雙向調(diào)壓塔，其具體參數(shù)及位置見表4。

表4 調(diào)壓設(shè)施布置表

其中，單個(gè)空氣罐體積為28.61m3，水氣比為1∶1。空氣罐有并聯(lián)及梯形兩種布置方式，在并聯(lián)布置中，如圖1所示，每個(gè)空氣罐均有一根補(bǔ)水管，長(zhǎng)度為12.5m，管徑為250mm，所有管道局部損失系數(shù)取5，每個(gè)空氣罐在主管上的間隔為5m；在梯形布置中，如圖2所示，取與空氣罐直連的接管(即圖中的32、30、27、28管道)管徑為250mm，管長(zhǎng)為2.5m，管道局部損失系數(shù)取3，而其余接管管徑均取500mm，管長(zhǎng)為5m，管道局部損失系數(shù)取1；雙向塔與主管連接管長(zhǎng)度取15m，管徑為800mm，局部損失系數(shù)取為1。

圖1 空氣罐并聯(lián)布置圖

圖2 空氣罐梯形布置圖

(1)工況一

空氣罐并聯(lián)布置，計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況，2臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量均為3.25m3/s，水泵出口為軸流式止回閥。掉電后，當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉，零流速時(shí)關(guān)死。

計(jì)算結(jié)果：最大壓力為232m水頭，出現(xiàn)在閥門出口處，管中心最小壓力為2.67m水頭，機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min，無倒轉(zhuǎn)，空氣罐最低水位為1.56m，有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為16.6m，最高涌浪為34.2m，出水池水位下降約0.35m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn)，壓力包絡(luò)線如圖3所示。

圖3 工況一壓力包絡(luò)線

(2)工況二

空氣罐梯形布置，計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況，2臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量均為3.25m3/s，水泵出口為軸流式止回閥。掉電后，當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉，零流速時(shí)關(guān)死。

計(jì)算結(jié)果：最大壓力為235m水頭，出現(xiàn)在閥門出口處，管中心最小壓力為2.51m，機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min，無倒轉(zhuǎn)，空氣罐最低水位為1.26m，有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為17.6m，最高涌浪為33.1m，出水池水位下降約0.29m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn)，壓力包絡(luò)線如圖4所示。

圖4 工況二壓力包絡(luò)線

(3)工況三

空氣罐并聯(lián)布置，計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況，1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為3.25m3/s，另1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1m3/s，水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后，當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉，零流速時(shí)關(guān)死。

計(jì)算結(jié)果：最大壓力為216m水頭，出現(xiàn)在閥門出口處，管中心最小壓力為4.5m水頭，大機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.7r/min，無倒轉(zhuǎn)，小機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為26.4r/min，無倒轉(zhuǎn)，空氣罐最低水位為1.75m，有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.2m，最高涌浪為33.5m，出水池水位下降約0.27m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn)，壓力包絡(luò)線如圖5所示。

圖5 工況三壓力包絡(luò)線

(4)工況四

空氣罐梯形布置，計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況，1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為3.25m3/s，另1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1m3/s，水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后，當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉，零流速時(shí)關(guān)死。

表5 各工況計(jì)算結(jié)果一覽表

計(jì)算結(jié)果：最大壓力為226m水頭，出現(xiàn)在閥門出口處，管中心最小壓力為4.6m水頭，大機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min，無倒轉(zhuǎn)，小機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為26.6r/min，無倒轉(zhuǎn)，空氣罐最低水位為1.52m，有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.9m，最高涌浪為32.5m，出水池水位下降約0.25m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn)，壓力包絡(luò)線如圖6所示。

圖6 工況四壓力包絡(luò)線

5 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)本工程的計(jì)算分析可知，對(duì)于長(zhǎng)距離、大流量、高揚(yáng)程輸水管線，雙向調(diào)壓塔與空氣罐結(jié)合的水錘防護(hù)措施能有效地降低水錘壓力，并控制負(fù)壓在理想狀態(tài)。

對(duì)空氣罐并聯(lián)布置和梯形布置的計(jì)算結(jié)果顯示，兩種布置對(duì)防護(hù)效果影響較小，可根據(jù)實(shí)際情況選取合適的布置形式。

計(jì)算中需注意，空氣罐的接管的局部損失系數(shù)對(duì)結(jié)果影響較大，特別是對(duì)于正壓的影響，建議其取值不應(yīng)小于本次計(jì)算中的取值，如果實(shí)際管道不滿足局部損失系數(shù)的要求，應(yīng)考慮增大局部損失系數(shù)，在實(shí)際工程施工中，建議盡量接近本次計(jì)算的取值，否則應(yīng)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。