大沙壩提水泵站停泵水錘KY-PIPE模擬分析與防護

文楊發(fā),蔣衛(wèi)明

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

大沙壩水庫是向榮昌壩名酒工業(yè)園區(qū)及茅臺循環(huán)經(jīng)濟科技示范園區(qū)供水，解決613.33 hm2農(nóng)田灌溉與灌區(qū)內(nèi)11 000人農(nóng)村人口及二合集鎮(zhèn)和合馬集鎮(zhèn)22 500人的飲水問題。其中,農(nóng)田灌溉采用自流輸水，工業(yè)及人飲供水采用泵站提水。大沙壩提水泵站位于大沙壩水庫大壩下游左岸約600 m處，從大沙壩水庫庫區(qū)內(nèi)取水，提水至大沙壩水廠，通過水廠向用戶供水，設(shè)計總流量0.5850 m3/s，年總供水量為1400萬m3。泵站采用3臺臥式中開離心泵機組(兩用一備)，單泵設(shè)計流量為0.2925 m3/s。工業(yè)及人飲供水工程的管線縱斷面分布圖和泵站提水系統(tǒng)示意圖，如圖1和圖2所示。

圖1 供水管線縱斷面分布圖

圖2 泵站提水系統(tǒng)示意圖

大沙壩提水泵站管線較長、提水揚程高、系統(tǒng)運行工況較復(fù)雜，水泵機組啟動水錘和關(guān)閥水錘對供水管網(wǎng)能否安全可靠運行具有很大影響[1-2]。經(jīng)管網(wǎng)調(diào)節(jié)保證計算，原水錘防護設(shè)置1個DN100、PN10注氣微排閥和1個DN100、PN10復(fù)合式排氣閥，能有效防止水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的危害。但由于大沙壩水廠設(shè)計方案及廠內(nèi)建筑物布置發(fā)生調(diào)整，相應(yīng)泵站上水管原布置也需跟隨調(diào)整，而已購的水錘防護設(shè)備能否滿足調(diào)整方案水錘防護需求，是大沙壩泵站優(yōu)化設(shè)計研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。為此，采用KY-PIPE水錘分析軟件對大沙壩提水泵站水力過渡過程進行數(shù)值模擬計算，對事故停泵水錘進行復(fù)核，為泵站安全、穩(wěn)定運行優(yōu)選合理的水錘防護措施。

2 工程優(yōu)化設(shè)計基本參數(shù)

2.1 水錘防護規(guī)范指標

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》GB 50265—2010要求，發(fā)生事故停泵時，應(yīng)滿足以下要求，即[3-4]：①水泵機組最高反轉(zhuǎn)速度應(yīng)低于120%額定轉(zhuǎn)速，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間應(yīng)控制在120 s以內(nèi)；②水錘防護設(shè)施后的最高壓力應(yīng)低于水泵出口額定壓力的130%～150%；③輸水管網(wǎng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。通過事故停泵過渡過程調(diào)節(jié)保證數(shù)值模擬計算，確定水泵機組最大倒轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)壓力包絡(luò)線等指標在規(guī)范限定范圍以內(nèi)，優(yōu)選泵出口閥門關(guān)閉程序，同時復(fù)核校對水錘防護設(shè)施設(shè)置的合理性，確保水泵機組安全平穩(wěn)運行。

2.2 分析特征技術(shù)資料

(1)泵站基本參數(shù)。水庫水位：最高運行水位505.00 m，設(shè)計運行水位479.23 m，最低運行水位460.00 m，平均水位499.30 m，正常蓄水位505.00 m，死水位460.00 m；大沙壩水廠配水溢流井設(shè)計水位581.50 m；上水管管長690 m(原設(shè)計管長480 m)，管徑700 mm；設(shè)計總流量0.585 m3/s。

(2)泵站機組附屬設(shè)備。水泵出口設(shè)置液力自動蝶式多功能水泵出口控制閥，具有快、慢兩段關(guān)閉功能。型號為BWCV-450-P25，公稱直徑為DN450，公稱壓力為2.5 MPa。

為使機組檢修方便，水泵進、出口設(shè)置檢修閥門。進、出口檢修閥均為電動偏心半球閥，進口檢修閥門型號為DYQ940H-10C，公稱直徑為DN500，公稱壓力為1.0 MPa；出口檢修閥門型號為DYQ940H-25C，公稱直徑為DN450，公稱壓力為2.5 MPa。

3 水力過渡過程模擬仿真分析

3.1 模型參數(shù)設(shè)定

(1)進出水池參數(shù)設(shè)定。進水池死水位460.00 m；配水溢流井設(shè)計水位581.50 m；設(shè)計最大凈揚程121.50 m，設(shè)計最低凈揚程76.50 m。

(2)水泵機組參數(shù)設(shè)定。泵站采用3臺臥式中開離心泵機組，型號為KQSN300-M6W-634，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 水泵機組性能參數(shù)表

水泵機組轉(zhuǎn)動慣量為3.75 kg·m2，水泵安裝高程446.33 m；配套電動機功率P=630 kW，飛輪力矩GD2=70.00 kg·m2。止回閥為DN450微阻緩閉止回閥，止回閥處管中心高程446.00 m，流速為1.84 m/s，根據(jù)止回閥的流阻曲線圖(見圖3)查得水頭損失ΔP=0.41 m H2O，流量系數(shù)Kv=5200。閥門推薦關(guān)閉規(guī)律為：快速關(guān)閥約80%～85%的角行程截流大量倒流水，操作時間為0～10 s；快關(guān)結(jié)束后，由緩閉裝置緩慢關(guān)閉約15%～20%的角行程，操作時間為0～60 s。

圖3 微阻緩閉止回閥開度—流阻曲線圖

(3)管道參數(shù)設(shè)定。大沙壩提水泵站水泵機組從大沙壩水庫內(nèi)取水提水至大沙壩水廠，水泵設(shè)計最大凈揚程121.50 m，設(shè)計最低凈揚程76.50 m。取水總管1根，長約518.00 m；上水總管1根，直徑DN700、長約690.00 m。管道特性參數(shù)，如表2所示。

3.2 KY-PIPE建模

基于管線節(jié)點的絕對坐標，使用KY-PIPE水錘分析軟件，根據(jù)取水管線、泵站、上水管線間的平面位置關(guān)系建立二維水力計算模型，并在模型節(jié)點中輸入控制節(jié)點高程、管線長度等特性參數(shù)。KY-PIPE軟件生成的計算模型，如圖4所示。

表2 輸水管道特性參數(shù)

圖4 泵站過渡過程仿真計算模型

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 穩(wěn)態(tài)過程分析

(1)水庫死水位460.00 m穩(wěn)態(tài)運行。水庫死水位460.00 m情況下，兩臺水泵并聯(lián)運行，泵后閥門全開，通過KY-PIPE軟件仿真模擬計算得穩(wěn)態(tài)運行曲線(見圖5)，此工況條件下，水泵揚程能夠滿足水力坡降要求。

(2)水庫蓄水位505.00 m穩(wěn)態(tài)運行。正常蓄水位505.00 m情況下，兩臺水泵并聯(lián)運行，泵后閥門全開，通過KY-PIPE軟件仿真模擬計算得穩(wěn)態(tài)運行曲線(見圖6)。此工況條件下，水泵揚程能夠滿足水力坡降要求。

3.3.2 瞬態(tài)過程分析

(1)水庫死水位460.00 m瞬態(tài)運行。水庫死水位460.00 m情況下，當兩臺水泵在閥門全開，不采取任何防水錘措施，突然失電，KY-PIPE軟件仿真模擬計算得到提水水泵發(fā)生倒流時間約為3.1 s。根據(jù)管線倒流情況初步確定水泵出口止回閥關(guān)閉規(guī)律，即：快關(guān)3.0 s，關(guān)閉80%閥門開度；慢關(guān)33.0 s，關(guān)閉余下20%閥門開度。水泵出口處壓力最高為185 m，水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-1900 r/min，管道多處出現(xiàn)壓力為-10.1 m的真空值。仿真模擬仿真分析結(jié)果，如圖7所示。

圖5 水庫死水位工況泵站穩(wěn)態(tài)運行水力坡降

圖6 水庫正常蓄水位工況泵站穩(wěn)態(tài)運行水力坡降

圖7 水庫死水位工況泵站瞬態(tài)運行水力坡降

水庫死水位460.00 m條件下，發(fā)生事故停泵瞬態(tài)過渡過程，雖管道壓力與水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均滿足規(guī)范要求，但管道產(chǎn)生的真空度卻遠超過規(guī)范要求，故需采取水錘防護措施。根據(jù)管網(wǎng)布置，在取水管樁號“取0+139.308”、“取0+213.498”分別設(shè)置一個DN100/DN3.2、PN10注氣微排閥；在上水管樁號“上0+613.208”、“上0+575.883”、“上0+529.977”、“上0+450.669”、“上0+386.921”分別設(shè)置一個DN100/DN3.2、PN10注氣微排閥進行水錘防護。圖7中KY-PIPE軟件仿真模擬結(jié)果表明：管網(wǎng)適當位置增設(shè)注氣微排閥后，水泵出口壓力最大值為139.6 m，最大壓力上升相對值為103.28%，在規(guī)范允許的130%～150%額定壓力范圍內(nèi)；水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速800 r/min，為額定轉(zhuǎn)速相對值的54%，滿足規(guī)范要求；止回閥出口壓力值為165.4 m，最大壓力上升相對值為122.07%，在規(guī)范允許的130%～150%以下的額定壓力范圍內(nèi)；但在取水管樁號取0+056.101～取0+086.702與樁號取0+170.397～取0+213.498處產(chǎn)生最大-0.8 m負壓；在水泵進口處產(chǎn)生最大-1.7 m負壓；在上水管樁號上0+386.921～上0+621.326處產(chǎn)生最大-2.0 m負壓。雖然增設(shè)注氣微排閥后管網(wǎng)局部仍存在吸氣現(xiàn)象，但吸氣處均設(shè)有注氣微排閥，能有效防止發(fā)生斷流彌合水錘[5-6]。

(2)水庫蓄水位505.00 m穩(wěn)態(tài)運行。水庫正常蓄水位為505.00 m情況下，采用與水庫死水位460.00 m水錘防護相同的設(shè)備設(shè)置方案，其模擬仿真分析結(jié)果，如圖8所示。

圖8 水庫正常蓄水位工況泵站瞬態(tài)運行水力坡降

圖8中KY-PIPE軟件模擬仿真結(jié)果表明：水泵出口壓力最大值為142.7 m，最大壓力上升相對值為105.57%，在規(guī)范允許的130%～150%以下額定壓力范圍內(nèi)；水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速350 r/min，為額定轉(zhuǎn)速相對值的24%，滿足規(guī)范要求；止回閥出口壓力值為142.5 m，最大壓力上升相對值為105.17%，在規(guī)范允許范圍內(nèi)；但在上水管樁號上0+386.921～上0+391.631與上0+575.883～上0+617.404處產(chǎn)生最大-0.6 m負壓，負壓值較小，雖管網(wǎng)局部存在吸氣現(xiàn)象，但吸氣處均設(shè)置有注氣微排閥，能有效防止發(fā)生斷流彌合水錘。

4 泵站水錘防護措施

通過KY-PIPE軟件模擬仿真分析，在取水管樁號“取0+139.308”、“取0+213.498”分別設(shè)置一個DN100/DN3.2、PN10注氣微排閥，在上水管樁號“上0+613.208”、“上0+575.883”、“上0+529.977”、“上0+450.669”、“上0+386.921”分別設(shè)置一個DN100/DN3.2、PN10注氣微排閥后，在水庫正常蓄水位與水庫死水位工況條件下，泵站系統(tǒng)其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過渡過程的管道正壓滿足規(guī)范要求，管道負壓得到明顯改善，水錘防護設(shè)施設(shè)置合理可行，確保了泵站系統(tǒng)經(jīng)濟安全的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 論

經(jīng)KY-PIPE水錘計算軟件模擬仿真計算復(fù)核，主要獲得以下結(jié)論：

(1)KY-PIPE復(fù)核計算表明，原水錘防護設(shè)備設(shè)置方案不滿足管線調(diào)整后的泵站提水系統(tǒng)的水錘防護需要。

(2)將水錘防護設(shè)備設(shè)置由原取水管安裝1套注氣微排閥與1套復(fù)合式排氣閥調(diào)整為取水管安裝2套注氣微排閥和上水管安裝5套注氣微排閥。經(jīng)KY-PIPE仿真計算，泵站系統(tǒng)其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過渡過程的管道正、負壓均滿足規(guī)范要求，水錘防護設(shè)施設(shè)置合理可行。

(3)長距離、高揚程泵站實際運行中，有必要對水錘防護設(shè)備設(shè)置方案的有效性進行動態(tài)跟蹤監(jiān)測，以驗證水錘防護設(shè)備設(shè)置方案的可靠性與有效性。