長距離引水管道供水系統(tǒng)水力過渡分析及防護(hù)研究

趙 娟，白 丹，白綿綿

（1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

近年來，隨著城市的發(fā)展，長距離供水工程越來越多，很大程度上緩解了區(qū)域差異帶來的嚴(yán)重缺水問題，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，隨之也出現(xiàn)了一些安全問題，引發(fā)不良后果，探究原因多是受之前認(rèn)識(shí)水平的局限，很多供水工程沒有進(jìn)行水力過渡分析，也沒有采取相應(yīng)的防護(hù)措施，或者采取的防護(hù)措施不合理，因此分析水錘事故發(fā)生的原因，找出供水工程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，并采取經(jīng)濟(jì)合理的防護(hù)措施，切實(shí)保障供水工程的安全運(yùn)行，顯得尤為迫切重要。

目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)都是重點(diǎn)研究泵后出水管路系統(tǒng)的安全問題，多會(huì)在泵后設(shè)置調(diào)壓塔、液控緩閉止回閥、空氣閥、空氣罐等防護(hù)措施。對于長距離引水管道系統(tǒng)而言，由于泵前壓力較小，設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)忽略泵前壓力變化情況，鮮有對泵前壓力管道系統(tǒng)方面的研究[1]，因此本文以榆林某泵站為例，研究長距離引水管路供水系統(tǒng)事故斷電水力過渡過程。。

1 基本理論

水力過渡中，描述管內(nèi)非恒定流動(dòng)的基本方程是連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程[2]。

運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中：H 為管路節(jié)點(diǎn)水頭，m；f 為管路摩阻系數(shù)；V 為管內(nèi)流速，m3/s，其正方向?yàn)榱飨蜷y門；α 為管路與水平面間夾角；a 為水錘波傳播速度，m/s；χ 為位置坐標(biāo)，其正方向?yàn)橹赶蜷y門。

目前，廣泛采用特征線法將上述基本方程沿與計(jì)算節(jié)點(diǎn)相連的左右兩個(gè)特征線轉(zhuǎn)換成全微分方程，進(jìn)而在時(shí)間步長上迭代求解。當(dāng)遇到的節(jié)點(diǎn)是水泵、閥門、水庫、調(diào)壓塔、空氣閥、空氣罐等非管道節(jié)點(diǎn)時(shí)，建立節(jié)點(diǎn)的特征線方程，并將之與節(jié)點(diǎn)固有的邊界條件聯(lián)立求解。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

以榆林某泵站進(jìn)出水系統(tǒng)為研究對象，分析范圍為泵站5 臺(tái)大泵及其進(jìn)出水系統(tǒng)。泵站從水庫取水，經(jīng)1.3 km 壓力隧洞后，平行布設(shè)兩根DN2000 的供水鋼管，穿過河倒虹后，經(jīng)1.4 km 爬坡進(jìn)入泵站廠區(qū)，進(jìn)入廠區(qū)后匯流為1 根DN2800 母管，進(jìn)水支管與匯流母管以“T”型式取水，經(jīng)水泵加壓后仍以“T”型匯為1 根DN2800 的匯流出水母管，從匯流出水母管上接2 根DN2000 的出水母管供水，經(jīng)1.6 km 后進(jìn)入999.44 m高程的1#隧洞。泵站系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 泵站供水系統(tǒng)示意圖

泵站設(shè)計(jì)下水位969.00 m，最高下水位990.00 m，設(shè)計(jì)上水位999.44 m，設(shè)計(jì)流量9.61 m3/s，水泵額定流量2.83 m3/s，額定揚(yáng)程34.50 m，額定轉(zhuǎn)速nr=590 r/min，額定效率90.40%，重力加速度g=9.8 m/s2，配套電機(jī)功率ND=1250 kW，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=422 kg·m2（水泵無水+ 電機(jī)空載），機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩GD2=4J=4135.6 kgf·m2水泵性能參數(shù)見表1。

表1 水泵性能參數(shù)

水泵工頻運(yùn)行時(shí)，比轉(zhuǎn)數(shù)為：

當(dāng)下水位為990 m 時(shí)，5 臺(tái)大泵并聯(lián)至1 根DN2000 出水母管。水泵變頻運(yùn)行，轉(zhuǎn)速n=488 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)為：

管線資料見表2。縱向管線見圖2。

表2 管線基本資料

圖2 管線縱向布置圖

2.2 不采取任何護(hù)措施水錘計(jì)算及分析

首先對事故停泵不采取任何防護(hù)措施進(jìn)行計(jì)算分析，即假定泵后不關(guān)閥，沿程不設(shè)水錘防護(hù)設(shè)備或設(shè)施，以獲得水力瞬變過程，包括水泵機(jī)組的流量、壓力、轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的流量、壓力、空氣容積等瞬變，從而為確定事故停泵水錘防護(hù)方案提供參考。

當(dāng)水泵斷電后，管道中水流速度急劇減小并迅速倒流，由于出口閥門拒動(dòng)，出水管道及出水池中水將向管道中倒流，引起機(jī)組倒轉(zhuǎn)。其中圖3 為水泵進(jìn)口流量、壓力瞬變，閥門出口流量、壓力瞬變。

圖3 泵進(jìn)口流量、壓力瞬變、閥門出口流量、壓力瞬變

經(jīng)計(jì)算，機(jī)組自斷電后在22.0 s 出現(xiàn)倒流，27.1 s 出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，最大倒轉(zhuǎn)速725 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的1.23 倍，大于額定轉(zhuǎn)速的1.2 倍[3]，且超過額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間遠(yuǎn)超過2 min，長時(shí)間高速倒轉(zhuǎn)會(huì)對機(jī)組造成損害，故必須關(guān)閉泵后閥門來改善機(jī)組倒轉(zhuǎn)。

圖4 管道壓力包絡(luò)線

由圖4 可知，系統(tǒng)整體升壓不大，但泵站出水壓力管道存在嚴(yán)重負(fù)壓，最大達(dá)當(dāng)?shù)仄瘔毫?。最大壓力出現(xiàn)在1+482 處，即倒虹最低點(diǎn)，Hmax=125.9 m，是此處工作壓力的1.24 倍。

2.3 泵后設(shè)置注氣微排閥水錘計(jì)算及分析

由不設(shè)任何防護(hù)措施的水力過渡結(jié)果可知，機(jī)組的最大倒轉(zhuǎn)與負(fù)壓都不滿足規(guī)范要求，對機(jī)組和管線危害較大，因此要合理關(guān)閉泵后閥門及設(shè)置空氣閥等措施降低負(fù)壓、控制倒轉(zhuǎn)。一般來說，泵后緩閉閥需要在系統(tǒng)出現(xiàn)倒流前完成快關(guān)，考慮閥門的實(shí)際操作，初定快關(guān)時(shí)間為8 s～16 s。

2 條管線分別在樁號(hào)1+166 處布置1 臺(tái)DN300 注氣微排閥，微排口徑5 mm，2 根出水母管共2 臺(tái)。泵后緩閉閥不同關(guān)閉規(guī)律對應(yīng)的極值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 不同關(guān)閥規(guī)律對應(yīng)極值統(tǒng)計(jì)

由表3 可知，除方案1 慢關(guān)速度過快導(dǎo)致負(fù)壓較大，其他各關(guān)閥方案對應(yīng)最大正負(fù)壓無差別；閥門關(guān)閉越快，機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)速越小。綜合考慮，推薦方案5。其對應(yīng)的水力過渡計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 泵進(jìn)口流量、壓力瞬變、閥門出口流量、壓力瞬變

與無防護(hù)時(shí)類似，系統(tǒng)整體升壓不大，站前比站后升壓大。最大壓力出現(xiàn)在1+554 處，即倒虹最低點(diǎn)，Hmax=133.3 m，是此處工作壓力的1.32 倍。只在末端個(gè)別點(diǎn)存在較小負(fù)壓，Hmin=-1.4 m。防護(hù)結(jié)果滿足要求。

2.4 泵站前設(shè)置調(diào)壓塔水錘計(jì)算及分析

為減緩水泵進(jìn)口壓力波動(dòng)，擬在泵站前樁號(hào)0+604 處設(shè)置1 座雙向調(diào)壓塔，其余邊界條件不變，進(jìn)一步研究調(diào)壓塔對壓力波動(dòng)的影響。以控制工況（下水位969 m、4 泵2 管）為例，進(jìn)行過渡過程分析。

調(diào)壓塔內(nèi)徑D=5 m，高度H=43 m，進(jìn)出水孔徑及連接管直徑DN1000 mm，連接管長度L=10 m。泵后液控閥15 s 關(guān)閉85%，90 s 關(guān)完。

圖6 泵進(jìn)口流量、壓力瞬變，閥門出口流量、壓力瞬變

圖7 管道壓力包絡(luò)線

圖8 水泵轉(zhuǎn)速瞬變

圖9 調(diào)壓塔內(nèi)水位瞬變

與不設(shè)調(diào)壓塔相比，水泵進(jìn)口壓力波動(dòng)周期拉長，振幅減小，波動(dòng)變緩。機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)速341 r/min，不超過額定轉(zhuǎn)速，且倒轉(zhuǎn)時(shí)間很短。水泵進(jìn)口初始壓力20.8 m，最大壓力40.5 m，最小壓力11.2 m；閥門出口初始壓力57.5 m，最大壓力66.1 m，最小壓力25.4 m。調(diào)壓塔內(nèi)最大水位42.0 m。

與不設(shè)調(diào)壓塔相比，泵站上游升壓較小。最大壓力出現(xiàn)在1+554 處，Hmax=112.4 m，泵站上游升壓較小。最大壓力出現(xiàn)在1+554 處，Hmax=112.4 m，是此處工作壓力的1.11 倍。只在末端個(gè)別點(diǎn)存在較小負(fù)壓，Hmin=-1.4 m。防護(hù)結(jié)果滿足要求。

經(jīng)上述分析，設(shè)不設(shè)置調(diào)壓塔，防護(hù)結(jié)果都滿足規(guī)范要求。設(shè)置調(diào)壓塔后，壓力波動(dòng)更為平緩，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度來講，在滿足安全可靠的供水條件下，泵站投資運(yùn)行費(fèi)用越低越好，因此從工程上出發(fā)，可不設(shè)調(diào)壓塔。

3 結(jié)語

本文基于HAMMER 軟件，在前人研究的基礎(chǔ)上，采用特征線法，對榆林某泵站進(jìn)行了水力過渡分析，通過分析計(jì)算采用無防護(hù)措施和采用不同防護(hù)措施后水力過渡過程，對比泵站前設(shè)置調(diào)壓塔與否的水力過渡過程，提出設(shè)置調(diào)壓塔的必要性。經(jīng)上述分析表明，盡管引水管路較長，只要合理關(guān)閉泵后緩閉閥，不一定要在站前設(shè)置調(diào)壓設(shè)施。