長(zhǎng)距離有壓管道輸水停泵水錘防護(hù)措施分析

鄭 英，谷 峪

（山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250100）

受地形、地質(zhì)條件的限制，長(zhǎng)距離有壓管道輸水工程沿線不可避免地存在陡坡、局部凸起及凹下。因此，在實(shí)際工況調(diào)節(jié)中，極易產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘事故。為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)長(zhǎng)距離有壓管道輸水系統(tǒng)進(jìn)行不利工況的水錘計(jì)算分析及防護(hù)措施研究至關(guān)重要。

1 實(shí)例分析

膠東調(diào)水工程高疃泵站至高位水池段輸水管線長(zhǎng)度為4.708km，采用鋼管輸水，管徑為2000mm。高疃泵站設(shè)計(jì)流量5.5m3/s，安裝4臺(tái)800S65型雙吸離心泵，3用1備，其中2臺(tái)可調(diào)速運(yùn)行，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為65.69m，水泵特性曲線如圖1所示。泵站前池運(yùn)行水位為30.68m，最低運(yùn)行水位為28.50m，最高運(yùn)行水位31.68m；高位水池設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為87.53m，最低運(yùn)行水位86.8m，最高運(yùn)行水位93.5m。

圖1 水泵特性曲線

1．1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算

輸水工程的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是瞬變過程計(jì)算的起始狀態(tài)，為了有效的分析瞬變過程，并制定合理的水錘防護(hù)措施，本文首先研究了輸水管道在設(shè)計(jì)工況下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。在設(shè)計(jì)工況下，1#水泵按照額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，流量為1.92m3/s，2#、3#機(jī)組調(diào)頻運(yùn)行，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)整為額定工況轉(zhuǎn)速的0.99，其流量分別為1.79m3/s，沿線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的測(cè)壓管水頭如圖2所示，滿足沿線管道壓力要求。

圖2 設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的測(cè)壓管水頭圖

1．2 泵站事故停機(jī)，閥門拒動(dòng)工況分析

對(duì)于水錘計(jì)算分析及其防護(hù)措施的研究是在設(shè)計(jì)工況穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，以泵站事故停泵、閥門拒動(dòng)工況為例。模擬時(shí)間為2000s，通過模擬該工況的瞬變過程，得到其對(duì)應(yīng)的水泵相對(duì)流量、相對(duì)轉(zhuǎn)速變化曲線以及管道沿線壓力包絡(luò)線分別如圖3、圖4所示。

圖3 泵站事故停機(jī)、閥門拒動(dòng)工況下水泵相對(duì)流量與相對(duì)轉(zhuǎn)速變化曲線圖

圖4 泵站事故停機(jī)、閥門拒動(dòng)工況下輸水管道沿線壓力包絡(luò)線圖

由圖3、圖4可知，水泵出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)、倒流現(xiàn)象，約15.7s開始倒轉(zhuǎn)，最大相對(duì)倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速約為-1.061，最大相對(duì)倒流流量為-0.627，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。系統(tǒng)最大壓力為82.932m，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，最小壓力為-47.235m，不滿足要求。為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，需研究輸水管線負(fù)壓防護(hù)措施。

1.3 事故停機(jī)，閥門拒動(dòng)工況設(shè)置空氣閥水錘防護(hù)

由于泵站事故停機(jī)、閥門拒動(dòng)出現(xiàn)了較大的負(fù)壓，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的斷流彌合水錘，威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此考慮在管線中增設(shè)空氣閥以消除負(fù)壓。

通過在最小壓力處增加進(jìn)出氣口直徑為300mm，微量孔直徑為24.5mm的空氣閥，循環(huán)計(jì)算，直至最小壓力滿足設(shè)計(jì)需求。經(jīng)計(jì)算，需在表1所示的位置布設(shè)空氣閥。增設(shè)空氣閥后，系統(tǒng)最小壓力為-5.638m，最大壓力壓力為72.363m，滿足安全運(yùn)行要求，其沿線壓力包絡(luò)線如圖5所示。

分析表1中空氣閥的設(shè)置位置，可發(fā)現(xiàn)在地形起伏較小的樁號(hào)為0+000～3+400段，僅需在凸起位置適當(dāng)?shù)脑O(shè)置空氣閥即可，其間距約為1.5km；在地形較為陡峭的樁號(hào)為3+400～4+300段和4+700～4+800段，地形越緩，間距越大，約為300m，地形越陡，間距越小，約為60～160m。

表1 空氣閥布設(shè)位置表

圖5 泵站事故停機(jī)、閥門拒動(dòng)工況下輸水管道設(shè)置空氣閥后沿線壓力包絡(luò)線

2 結(jié)論

本文以高疃泵站至高位水池段管道輸水工程事故停泵、閥門拒動(dòng)工況為例，研究分析了空氣閥對(duì)于該工程的水錘防護(hù)效果，給出了系統(tǒng)最大水錘壓力、最小水錘壓力以及沿線極值包絡(luò)線。結(jié)果表明：在管線較為平順的區(qū)域間隔1.0～1.5km安裝一個(gè)空氣閥，在管線較為陡峭以及駝峰等處需增加空氣閥，且管線越陡、空氣閥設(shè)置間距越小。對(duì)于高疃泵站至高位水池段管道輸水系統(tǒng)，沿線設(shè)置11個(gè)空氣閥，可很好的消除管路中的負(fù)壓，防止管路中產(chǎn)生水柱分離。