長(zhǎng)距離輸水無(wú)防護(hù)抽水?dāng)嚯娺^(guò)渡過(guò)程分析

李 誠(chéng)

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概 述

對(duì)于長(zhǎng)距離有壓輸水管道工程，由于管道線(xiàn)路長(zhǎng)，造成運(yùn)行維護(hù)檢修困難，對(duì)管道事故的響應(yīng)也有延時(shí)，管道破損情況反映遲緩。為控制工程造價(jià)，降低泵站機(jī)組投資，常選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大的泵機(jī)組。當(dāng)泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量處于正常區(qū)間時(shí)，若突然發(fā)生水泵失電，泵機(jī)轉(zhuǎn)速驟變導(dǎo)致泵后第一波的水錘壓力在2s內(nèi)下降很快。對(duì)于長(zhǎng)距離有壓管道輸水系統(tǒng)，水錘波反射一相的時(shí)間遠(yuǎn)大于壓降時(shí)間，斷電泵后產(chǎn)生的第一波壓降，一般視為負(fù)水錘特征。為了保證泵站及輸水系統(tǒng)的的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需針對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的水錘問(wèn)題進(jìn)行泵站抽水?dāng)嚯娛鹿视?jì)算分析，計(jì)算不同初始流量條件下恒定流發(fā)生抽水?dāng)嚯姇r(shí)的泵組最不利參數(shù)(包括最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)時(shí)間、最大倒泄流量等)、管線(xiàn)最大最小水錘壓力包絡(luò)線(xiàn)，對(duì)泵出口閥關(guān)閉程序進(jìn)行優(yōu)化，確定工程合理的水錘防護(hù)措施。本文以廣東省西部某長(zhǎng)距離引調(diào)水工程為例，采用水錘和瞬態(tài)分析軟件Bentley Hammer V8i (SELECT series6) 對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模,針對(duì)不同工況下泵站發(fā)生無(wú)防護(hù)抽水?dāng)嚯娛鹿蔬M(jìn)行仿真計(jì)算，使用特征線(xiàn)法進(jìn)行水力瞬態(tài)流分析，判斷斷電過(guò)渡過(guò)程對(duì)整個(gè)輸水系統(tǒng)可能造成的影響, 為該引調(diào)水工程的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。

2 過(guò)程分析

2.1 工程概況

該長(zhǎng)距離輸水工程以水庫(kù)作為取水水源，庫(kù)外設(shè)置取水泵站，原水經(jīng)泵站加壓后，沿途經(jīng)兩次分水后輸送至3個(gè)交水點(diǎn)，管線(xiàn)總長(zhǎng)約61.92 km。最大輸水規(guī)模12.3 m3/s。沿途2個(gè)分水口流量分別為：0.93、0.46 m3/s，3個(gè)交水點(diǎn)流量分別為：1.19、2.56、6.40 m3/s。工程3個(gè)主管管徑及長(zhǎng)度分別為DN2800和14.68 km、DN2600和39.40 km、DN2000和7.84 km。管道沿線(xiàn)在地形相對(duì)高點(diǎn)共設(shè)置了101個(gè)空氣閥。取水泵站安裝6臺(tái)臥式單級(jí)雙吸中開(kāi)離心泵(4用2備)，具體的水泵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泵參數(shù)表

泵站每臺(tái)水泵出口均設(shè)置DN1200(1.6 MPa)液控緩閉止回蝶閥作為斷流設(shè)備，正常情況下當(dāng)泵組啟動(dòng)時(shí)開(kāi)啟，停機(jī)時(shí)關(guān)閉；泵組事故失電時(shí)該閥門(mén)按調(diào)定的角度和時(shí)間分快和慢兩階段關(guān)閉。

2.2 參數(shù)分析

泵站系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間有多種運(yùn)行工況，不同工況下有壓管段沿線(xiàn)的測(cè)壓管水頭和內(nèi)水壓力都有較大的不同。當(dāng)管道流量較大時(shí)，流量變化也就越大，泵發(fā)生抽水?dāng)嚯姇r(shí)容易出現(xiàn)較大負(fù)壓，為較危險(xiǎn)工況;其次，當(dāng)管道流量較小時(shí)，雖然流量小，但泵出口初始?jí)毫Φ停l(fā)生抽水?dāng)嚯姇r(shí)可能導(dǎo)致較大負(fù)壓。擬定如下2種工況為無(wú)防護(hù)抽水?dāng)嚯娢ｋU(xiǎn)工況。

工況一(最大流量)：引水水庫(kù)水位32.30 m，管線(xiàn)末端水位42.42 m，水泵揚(yáng)程81.71 m，總流量12.26 m3/s，單泵流量3.065 m3/s。正常運(yùn)行條件下管道沿線(xiàn)壓力最小值為20.07 m，在輸水系統(tǒng)末端樁號(hào)K62+167.00 m處；管道沿線(xiàn)壓力最大值為89.49 m，出現(xiàn)在樁號(hào)K11+782.53 m處。

上述工況下泵站發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩?臺(tái)工作泵組全部斷電，泵后閥無(wú)法工作。對(duì)該事故情況進(jìn)行抽水?dāng)嚯娺^(guò)渡建模仿真計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖1～4所示。

圖1 管道全線(xiàn)最大壓力包絡(luò)線(xiàn)圖

根據(jù)以上建模仿真計(jì)算結(jié)果，在最大流量工況下，泵站發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩?臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電，泵后閥無(wú)法工作時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速斷電后瞬時(shí)由正常590 r/min降至100 r/min，隨后轉(zhuǎn)速緩慢下降，斷電后700 s時(shí)降至0 r/min，發(fā)生反轉(zhuǎn)，斷電后1 100 s時(shí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，-155.99 r/min，約為額定轉(zhuǎn)速的26%，水泵反轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可能會(huì)對(duì)水泵造成破壞。

圖2 管道全線(xiàn)最小壓力包絡(luò)線(xiàn)圖

圖3 樁號(hào)11+782.53 m處壓力變化曲線(xiàn)圖

圖4 樁號(hào)37+030.23 m處壓力變化曲線(xiàn)圖

泵后壓力瞬時(shí)由81.88 m降至-4.75 m，最大壓降達(dá)88.63 m，該壓力波向泵后傳播將使得樁號(hào)K37+030.23 m處管中心的壓力極小值達(dá)-36.57 m。隨后由于水泵轉(zhuǎn)速降低并反轉(zhuǎn)，泵后壓力逐漸升高并穩(wěn)定。由于樁號(hào)K37+030.23 m處為管道沿線(xiàn)高程次高點(diǎn)，且上游K34+082.91 m處為全線(xiàn)管道高程最低點(diǎn)，發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿蕰r(shí)，管道中瞬時(shí)流量變化大，管頂出現(xiàn)水柱斷裂造成管內(nèi)負(fù)壓，最大負(fù)壓將低于水的汽化壓力-10 m，極為危險(xiǎn)。尤其樁號(hào)30+980 m～54+081 m段，管道負(fù)壓嚴(yán)重，管道內(nèi)負(fù)壓基本在-25～-10 m范圍波動(dòng)，管道內(nèi)水體因負(fù)壓而汽化，導(dǎo)致彌合水錘。

工況2(小流量)：引水水庫(kù)水位32.30 m，管線(xiàn)末端水位42.42 m，水泵揚(yáng)程37.60 m，總流量8.10 m3/s，單泵流量2.70 m3/s。正常運(yùn)行條件下，管道沿線(xiàn)壓力最小值為10.57 m，出現(xiàn)在樁號(hào)K37+030.23 m處；管道沿線(xiàn)壓力最大值為59.42 m，出現(xiàn)在樁號(hào)K34+802.91 m處。

上述工況下泵站發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩?臺(tái)工作泵組全部斷電，泵后閥無(wú)法工作。對(duì)該事故情況進(jìn)行抽水?dāng)嚯娺^(guò)渡建模仿真計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 管道全線(xiàn)最大壓力包絡(luò)線(xiàn)圖

圖6 管道全線(xiàn)最小壓力包絡(luò)線(xiàn)圖

圖7 樁號(hào)34+802.91 m處壓力變化過(guò)程線(xiàn)圖

圖8 樁號(hào)2+770.70 m處壓力變化過(guò)程線(xiàn)圖

根據(jù)以上建模仿真計(jì)算結(jié)果，在小流量工況下，泵站發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩?臺(tái)機(jī)組同時(shí)斷電，泵后閥無(wú)法工作時(shí)，水泵將發(fā)生反轉(zhuǎn)。水泵轉(zhuǎn)速斷電后瞬時(shí)由正常590 r/min降至140 r/min，隨后轉(zhuǎn)速緩慢下降，斷電后600 s時(shí)降至0 r/min，發(fā)生反轉(zhuǎn)，斷電后1 000 s時(shí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-188.21 r/min，約為額定轉(zhuǎn)速的32%，水泵反轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可能會(huì)對(duì)水泵造成破壞。

泵后壓力在水泵斷電瞬間降為0 m，最大壓降達(dá)41.32 m，伴隨水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在1 000 s時(shí)達(dá)到最大，泵后壓力也在1 000 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。該壓力波向泵后傳播將使得樁號(hào)2+770.70 m處管中心的壓力極小值達(dá)-22.49 m。此樁號(hào)處為泵后第一個(gè)管道高程高點(diǎn)，管道中流量小，斷電后管道內(nèi)水體倒流，造成該處管道內(nèi)負(fù)壓。管道全線(xiàn)存在嚴(yán)重程度不同的負(fù)壓，在0～-8 m波動(dòng)，可能在管道沿線(xiàn)不利點(diǎn)造成水錘。

3 防護(hù)措施

泵站系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間有多種運(yùn)行工況，根據(jù)水泵抽水?dāng)嚯姽艿罒o(wú)防護(hù)計(jì)算結(jié)果可知，工況一計(jì)算得到的泵后管道負(fù)壓最為危險(xiǎn)，即取最低運(yùn)行水位32.30 m，最遠(yuǎn)端交水點(diǎn)水位42.42 m，泵站4臺(tái)水泵工作，輸水系統(tǒng)按最大流量12.26 m3/s供水，單泵流量3.065 m3/s，水泵實(shí)際揚(yáng)程為81.71m，此時(shí)4臺(tái)水泵同時(shí)掉電。

3.1 調(diào)壓塔設(shè)置

考慮管道沿線(xiàn)高程波動(dòng)較大，泵后存在工況最不利點(diǎn)，水錘防護(hù)選擇沿線(xiàn)布置2座單向調(diào)壓塔。1號(hào)單向塔位于樁號(hào)K0+082.122 m，該處管中心線(xiàn)高程42.77 m，位于泵站壓力箱下游。出現(xiàn)抽水?dāng)嚯娛鹿蕰r(shí)，防止低流量工況下管道負(fù)壓，導(dǎo)致下游樁號(hào)11+782.53 m處高壓力點(diǎn)管道內(nèi)水體倒流沖擊泵體。2號(hào)單向塔單向塔位于樁號(hào)K36+499.37 m處，該處管中心線(xiàn)高程36.94 m。由于樁號(hào)K34+082.91 m處為管道沿線(xiàn)中心線(xiàn)最低點(diǎn)，樁號(hào)K37+030.23 m處為管道中心線(xiàn)沿線(xiàn)次高點(diǎn)，沿線(xiàn)壓力值極小點(diǎn)。2號(hào)調(diào)壓塔主要在該處向管道內(nèi)補(bǔ)水，防止管道內(nèi)出現(xiàn)管頂雙向水柱斷裂形成真空，造成高負(fù)壓彌合水錘。

3.2 泵后閥設(shè)置

在停泵事故發(fā)生后，為防止單向塔內(nèi)的水體倒流，需要快速關(guān)閉泵后閥門(mén)。泵后閥門(mén)關(guān)閉得越快，單向塔向泵前倒流的水量越小，可在一定程度上降低機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，但關(guān)閉過(guò)快會(huì)導(dǎo)致閥后壓力上升，初步給出下列4種閥門(mén)關(guān)閉規(guī)律，各方案閥門(mén)關(guān)閉規(guī)律如表2所示。

表2 泵后閥門(mén)不同方案關(guān)閉規(guī)律統(tǒng)計(jì)表

圖9 水泵抽水?dāng)嚯姾蟊煤髩毫ψ兓^(guò)程圖

根據(jù)泵后閥門(mén)不同的關(guān)閉規(guī)律，針對(duì)工況一情況的抽水?dāng)嚯娛鹿?，?duì)事故后泵后壓力變化進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，在不同泵后發(fā)關(guān)閉規(guī)律下，閥后壓力在第一次閥體動(dòng)作后，泵后閥門(mén)關(guān)閉越快，閥后壓力波動(dòng)越為明顯。5 s關(guān)閉規(guī)律下，閥后壓力在17～49 m波動(dòng)，對(duì)泵后管道及附屬設(shè)施沖擊較大，10、15、20 s關(guān)閉規(guī)律下，閥后壓力在21～35 m波動(dòng)，跟隨關(guān)閥時(shí)間保持一致。閥體關(guān)閉動(dòng)作慢，會(huì)導(dǎo)致抽水?dāng)嚯娛鹿是闆r下水泵泵后壓力降速低，出現(xiàn)短暫泵后高壓情況。15、20 s的關(guān)閉規(guī)律下，泵后壓力在抽水?dāng)嚯姾?0～15 s短暫上升至30 m，導(dǎo)致倒流量增大，水泵轉(zhuǎn)速變化變大，單向塔穩(wěn)定水位逐漸降低，可能造成水泵損壞。10 s關(guān)閉規(guī)律下，泵后壓力在斷電后7 s開(kāi)始下降，基本在0 m壓力情況下波動(dòng)。

考慮到泵后閥主要是功能是保護(hù)水泵泵體安全，閥后不產(chǎn)生較大升壓的同時(shí)能快速關(guān)閉泵后閥門(mén)避免單向塔中的水向泵前倒流，本工程取水泵站水泵抽水?dāng)嚯姾蟊煤箝y門(mén)關(guān)閉的推薦方案為泵后設(shè)置單向塔防護(hù)的方案下泵后閥門(mén)以10 s一段直線(xiàn)規(guī)律關(guān)閉。

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)該工程的2個(gè)工況下計(jì)算結(jié)果表明，在泵后無(wú)防護(hù)措施時(shí)，當(dāng)泵站機(jī)組在發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿屎?，兩種流量工況下，管道內(nèi)均出現(xiàn)負(fù)壓。根據(jù)GB 50013-2018《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，輸水管道系統(tǒng)運(yùn)行中，應(yīng)保證在各種設(shè)計(jì)工況下，管道不出現(xiàn)負(fù)壓。

(2) 本工程輸水管道敷設(shè)高程最高接近50 m，一旦加壓泵站抽水?dāng)嚯?，各受水廠需要迅速關(guān)閥，否則輸水干線(xiàn)將發(fā)生水柱分離；但由于本工程輸水干支線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)60 km，水體慣性巨大，快速關(guān)閥又可能產(chǎn)生巨大的水錘壓力，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果得出，管道內(nèi)壓力極小值低于水體的汽化壓力，管道會(huì)出現(xiàn)大范圍液柱分離現(xiàn)象，或?qū)е聡?yán)重的彌合水錘事故。

對(duì)于類(lèi)似的長(zhǎng)距離有壓管道輸水工程，抽水?dāng)嚯姾髮?duì)系統(tǒng)影響較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)初期充分考慮抽水?dāng)嚯娍赡茉斐傻墓艿纼?nèi)負(fù)壓及水錘等事故情況，需要在合適的位置設(shè)置水力平壓措施，同時(shí)校核加壓泵站泵后閥關(guān)閥規(guī)律及各交水點(diǎn)關(guān)閥規(guī)律，確保工程運(yùn)行安全。