夾巖水利樞紐工程灌區(qū)長距離泵站水錘計(jì)算與分析

黃正財(cái), 鄭錄艷

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

1 計(jì)算原理

水錘是指有壓管道內(nèi)部流速因外界條件而急劇變化時(shí)引起管道內(nèi)部水壓力急劇變化交替升降的現(xiàn)象。水錘的危害包括過高水錘壓力可能導(dǎo)致水泵、閥門和管道破壞；過低水錘壓力可能導(dǎo)致管道失穩(wěn)破壞；過高的飛逸轉(zhuǎn)速可能導(dǎo)致水泵機(jī)械部件損壞。

水錘計(jì)算是對整個(gè)管道輸水系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，包括管道內(nèi)點(diǎn)及與管道連接的泵裝置中的各部分(邊界點(diǎn))。當(dāng)水泵機(jī)組因突然斷電或其他原因?qū)е聶C(jī)組在開閥狀態(tài)下停車時(shí)，由于產(chǎn)生急劇壓力交替升降變化的水擊現(xiàn)象，使得機(jī)組、閥門及輸水系統(tǒng)處于最嚴(yán)重的停泵水錘威脅。停泵水錘計(jì)算的基本原理是按彈性水柱理論，建立水錘過程的運(yùn)動方程(1)和連續(xù)方程(2)，方程式如下。

運(yùn)動方程式：

(1)

連續(xù)方程式：

(2)

式中H為管道水頭；V為管內(nèi)流速；D為管徑；g為重力加速度；a為水錘波傳播速度；θ為管道與水平面夾角。

本文將以夾巖水利樞紐及黔西北供水工程中寨二級泵站為例，利用HAMMER水錘軟件進(jìn)行水錘計(jì)算并風(fēng)險(xiǎn)分析，并將配備必要的防水錘措施以保證機(jī)組、閥門和輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成。夾巖水庫校核洪水位為1 325.93 m，正常蓄水位為1 323.0 m，總庫容為13.21億m3；設(shè)計(jì)灌溉面積為5.958萬hm2；多年平均年供水量為6.607億m3，壩后電站裝機(jī)容量為 70 MW，工程等別為Ⅰ等大(1)型工程。

中寨二級泵站是灌區(qū)骨干輸水工程中織納片區(qū)的重要泵站，主要給納雍縣城供水，年供水量為1 164萬m3。泵站從進(jìn)水池取水，站內(nèi)裝有3臺臥式單級雙吸離心泵，裝機(jī)容量為3×630 kW(2用1備)，泵站設(shè)有1根DN900 mm出水總管，長度約3.26 km至高位水池，出水總管材質(zhì)均為Q235C，出水總管樁號G0+000.000～G0+732.033 m管線壁厚為10 mm，樁號G0+732.033～G2+909.282 m管線壁厚為8 mm，管線末端至高位水池壁厚為6 mm。中寨二級泵站機(jī)組性能曲線見圖1所示，機(jī)組主要參數(shù)見表1。

3 數(shù)據(jù)模型建立

根據(jù)夾巖水利樞紐工程中寨二級泵站出水總管布置圖，在HAMMER軟件中建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，建立的節(jié)點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見表2)，管道參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見表3)，模型管線剖面(如圖2所示)。

圖1 中寨二級泵站機(jī)組性能曲線

表1 機(jī)組主要參數(shù)

表2 節(jié)點(diǎn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 管道參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 模型管線剖面示意

4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)恒流運(yùn)行工況

中寨二級泵站水泵機(jī)組在額定工況下，2臺工作機(jī)組恒流運(yùn)行，輸出額定流量，此時(shí)該工況下壓力包絡(luò)線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)恒流運(yùn)行工況壓力包絡(luò)線示意

5 系統(tǒng)瞬態(tài)停泵工況計(jì)算

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)確定，本泵站當(dāng)事故停泵瞬態(tài)工況水錘計(jì)算應(yīng)滿足如下原則：

① 最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；

② 最高反轉(zhuǎn)速不應(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2 min；

③ 輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

本泵站水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為119 m(凈)，輸水總管長度為3.26 km，輸水管線長，且從模型管線剖面圖可以看出，管線布置起伏多而大，地形較為復(fù)雜，瞬態(tài)工況下水流流態(tài)復(fù)雜。

5.1 無水錘防護(hù)措施條件下事故停泵水錘計(jì)算

當(dāng)中寨二級泵站機(jī)組在無水錘防護(hù)措施條件下遭遇事故停機(jī)，2臺工作機(jī)組同時(shí)斷電，此時(shí)，其水錘計(jì)算按一根主管相關(guān)聯(lián)的2臺工作機(jī)組同時(shí)斷電，泵后泵控閥門5 s關(guān)閉時(shí)作為過程過渡計(jì)算工況，計(jì)算后壓力包絡(luò)線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)無水錘防護(hù)措施下事故停機(jī)壓力包絡(luò)線示意

經(jīng)計(jì)算，從上述壓力包絡(luò)線圖及結(jié)果可以看出，5 s關(guān)閥后，無水錘防護(hù)措施條件下，水泵出水管線正壓升壓很高，絕對壓力達(dá)到310.8 m，為水泵出口額定壓力的2.61倍，超出規(guī)范要求，此時(shí)管線基本全線為負(fù)壓，水泵轉(zhuǎn)速為+385.6 r/min，無反轉(zhuǎn)。下一步需解決壓力超高及負(fù)壓問題。

5.2 增設(shè)防水錘措施后事故停泵水錘計(jì)算

為了解決水泵出口壓力過高的問題，擬在泵站出水總管始端設(shè)置DN400水擊泄放閥和DN400水擊預(yù)防閥各1臺，在此條件下，泵站2臺工作機(jī)組同時(shí)斷電，泵后泵控閥門5 s關(guān)閉時(shí)作為過程過渡計(jì)算工況，計(jì)算后壓力包絡(luò)線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)泄壓閥措施下事故停泵壓力包絡(luò)線示意

經(jīng)計(jì)算，從上述壓力包絡(luò)線圖及結(jié)果可以看出，5 s關(guān)閥后，無水錘防護(hù)措施條件下，水泵出水管線正壓升壓很高，絕對壓力達(dá)到288.6 m，為水泵出口額定壓力的2.43倍，此時(shí)雖然管線壓力有所改善，但壓力允許值還是超出規(guī)范要求，且管線基本全線為負(fù)壓，經(jīng)分析，管線在J10節(jié)點(diǎn)駝峰處出現(xiàn)水柱拉斷現(xiàn)象，可能產(chǎn)生斷流彌合水錘，使得管線水擊波傳播更為復(fù)雜，針對這一情況，考慮在管線上設(shè)泄壓閥的前提下，再增設(shè)復(fù)合式空氣閥來解決。根據(jù)管線布置情況，擬在J6/J8/J10/J21/J25節(jié)點(diǎn)處設(shè)置DN250 mm復(fù)合式空氣閥各1臺，該閥門具有快速吸氣，微量排氣功能，能有效防止斷流彌合水錘和改善管線負(fù)壓的作用。在此條件下，泵站2臺工作機(jī)組同時(shí)斷電，泵后泵控閥門5s關(guān)閉時(shí)作為過程過渡計(jì)算工況，計(jì)算后壓力包絡(luò)線如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算，從上述壓力包絡(luò)線圖及結(jié)果可以看出，本泵站在出水總管始端設(shè)置DN400水擊泄放閥和DN400水及預(yù)防閥各1臺，輸水管線5個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)DN250 mm復(fù)合式空氣閥各1臺后，水泵出水管線水擊壓力得到較大改善，絕對壓力最大值為131.0 m，為水泵出口額定壓力的1.1倍，水泵轉(zhuǎn)速為+371.5 r/min，無反轉(zhuǎn)，且管線基本無負(fù)壓，滿足規(guī)范要求。

圖6 系統(tǒng)設(shè)泄壓閥及空氣閥條件下事故停泵壓力包絡(luò)線示意

6 結(jié)語

根據(jù)夾巖水利樞紐附屬灌區(qū)泵站系統(tǒng)可以看出，它具有高揚(yáng)程、管線長和管線布置起伏多變等特點(diǎn)，這便是導(dǎo)致水泵機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，輸水管線內(nèi)水擊波傳播復(fù)雜的因素。當(dāng)水泵機(jī)組事故關(guān)閥時(shí)輸水管線內(nèi)壓力急劇增大，無防護(hù)措施下壓力可能達(dá)到好幾倍，且管線布置在地形駝峰處可能出現(xiàn)斷流彌合水錘，并形成管線大部分負(fù)壓，給整個(gè)泵站系統(tǒng)帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)泵站系統(tǒng)設(shè)置泄放閥門后，僅對系統(tǒng)正壓有改善效果，但因管線駝峰處斷流彌合水錘與水泵關(guān)閥水錘的疊加而改善效果不明顯，故綜合考慮采取了改善正壓與負(fù)壓解決措施。當(dāng)系統(tǒng)在關(guān)鍵部位布設(shè)泄放閥門及空氣閥門后，整個(gè)系統(tǒng)無論正壓還是負(fù)壓均得到很大改善，水泵出口壓力下降至額定壓力的1.1倍，管線全線基本無負(fù)壓，效果十分明顯，達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的運(yùn)行條件。目前，我國水利工程處于傳統(tǒng)水利向智慧水利轉(zhuǎn)變的過程中，很多專業(yè)建設(shè)均可通過先進(jìn)手段，建立系統(tǒng)模型，基于原理模擬整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，達(dá)到更好服務(wù)于工程建設(shè)的目的。