高揚(yáng)程大流量多起伏泵站水錘分析

譚毅源，陳維亮，字先文

(楚雄欣源水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，云南 楚雄 675000)

水泵的啟動與停機(jī)將造成管道中流速的突然變化和壓力急劇升高與降低，往往導(dǎo)致水錘事故的發(fā)生，高揚(yáng)程、大流量的提水泵站，水力過渡計算就顯得更加重要。對泵站、管道的安全性和工程造價起著決定性作用。現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明，不同管道水力特性、不同管材、不同的水錘防護(hù)措施對水錘的最大值都有不同程度的影響，同時具有高揚(yáng)程大流量多起伏等特征的泵站水錘又具有不同的特性。

東河泵站是勤豐工業(yè)園區(qū)的供水工程，其中一期工程總共裝機(jī)3臺(3備1)離心泵組。該工程具有揚(yáng)程高流量大起伏多的特點(diǎn)，泵單臺額定流量2400m3/h，裝機(jī)功率3150kW，額定揚(yáng)程325m，4.5km的提水線路上較明顯的高點(diǎn)有11個。

1 水力過渡過程分析目的和內(nèi)容

1.1 計算目的

(1)對泵站在可能出現(xiàn)工況下水力過渡過程進(jìn)行計算，確定水泵出口工作閥門的合理關(guān)閉時間；確定最大水錘壓力；確定泵組的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

(2)計算可能出現(xiàn)的各種工況下，管線最大最小水錘壓力值分布以及主要結(jié)點(diǎn)處(例如鎮(zhèn)墩處)的水錘壓力時程。各級泵站水泵出口最大水擊壓力升高不超過最高幾何揚(yáng)程的1.5倍；管路系統(tǒng)沿線均不能出現(xiàn)水柱斷裂，管線管頂最小壓力大于2m。

1.2 計算內(nèi)容

(1)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥按設(shè)計要求啟動關(guān)閉時的水力過渡過程。

(2)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥未按設(shè)計要求啟動關(guān)閉(簡稱拒動)、轉(zhuǎn)而啟動事故備用閥關(guān)閉時的水力過渡過程。

(3)計算泵站因事故斷電停泵時，工作閥拒動、且事故備用閥啟動關(guān)閉失敗時的水力過渡過程。

1.3 計算工況

計算工況見表1。

1.4 系統(tǒng)特性

水泵選型為雙吸自平衡離心泵主要特征參數(shù)詳見表2。

提水主管管徑DN800，全長4.3km，采用鋼管，管路特性如圖1所示。

圖1 管路特性

2 數(shù)學(xué)模型

描述管道中可壓縮流動的方程可表述為：

動量方程

(1)

表1 計算工況

表2 水泵特性

連續(xù)方程

(2)

式中，g—重力加速度；A—管道斷面面積；H—水頭；Q—管道流量；f—管壁摩擦系數(shù)；s—沿管軸線的軸向坐標(biāo)；t—時間；D—管道直徑；c—水錘波速。

采用特征線法求解，將流量Q和水頭H作為基本變量，管道流動的基本控制方程為一組雙曲型的偏微分方程，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為兩組常微分方程，分別表示為正水錘方向(c+)和負(fù)水錘方向(c-)：

(3)

(4)

3 計算結(jié)果

各工況計算結(jié)果見表3。

(1)3臺泵并列運(yùn)行并同時失電為系統(tǒng)的控制工況。按3臺泵組并行運(yùn)行失電的最不利工況進(jìn)行了大量比較計算，根據(jù)失電后最大水擊壓力、負(fù)壓空化、泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等控制要求，工作閥門擬采用線性關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉時間可在9～12s之間選擇均可基本滿足設(shè)計要求。

(2)根據(jù)工作閥門按9s線性關(guān)閉的計算結(jié)果，比較計算了水錘壓力泄壓閥不啟動與啟動泄壓的計算結(jié)果。當(dāng)泄壓閥不啟動運(yùn)行時，閥后最大水錘壓力為8.43MPa，2+870.0后的管線出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水錘負(fù)壓，導(dǎo)致空化和水柱拉斷的現(xiàn)象，管道尾段的空氣閥啟動出現(xiàn)大量進(jìn)排氣過程。啟用泄壓閥后，最大水錘壓力壓力限制不超過4.5MPa，即揚(yáng)程1.3倍，壓力系統(tǒng)的水錘特性得到了較大的改善，最大水錘壓力和最小水錘壓力均得到了有效的控制，空化現(xiàn)象明顯減輕。

(3)3臺泵并列運(yùn)行并同時失電，且工作閥拒動工況，水錘壓力抑制閥最大泄壓流量為為0.56m3/s，泵組反轉(zhuǎn)速為1095r/min，反向流過水泵的最大流量為0.51m3/s。泵組最大反轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在3臺機(jī)組并列運(yùn)行且其中1臺組因故失電停機(jī)，且工作閥拒動的工況，泵組最大反轉(zhuǎn)速達(dá)到1619r/min，為額定轉(zhuǎn)速的1.1倍，滿足不超過額定轉(zhuǎn)速1.2倍的要求，反向流過水泵的最大流量達(dá)到0.71m3/s。

(4)泵站穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)各項水力指標(biāo)及參數(shù)均能滿足設(shè)計要求。3臺機(jī)并行運(yùn)行的過流能力7315m3/h，其中：1號泵：2428m3/h，2號泵：2439m3/h；3號泵：2447m3/h；總水頭損失69.5m。2臺機(jī)并行的過流能力為5526m3/h，其中：1號泵：2759m3/h，2號泵：2769m3/h；總水頭損失41.3m，滿足設(shè)計要求。

表3 各工況計算結(jié)果

(5)泵的特性揚(yáng)程選擇略偏高，導(dǎo)致管線出口(出水池)處揚(yáng)程富裕較多，可能會導(dǎo)致處水池出口流速偏高，形成沖刷作用。

4 水錘防護(hù)措施

4.1 設(shè)置水錘泄放閥

在機(jī)組同時失電停泵工況下，水錘壓力抑制閥均有不同程度的開啟泄壓的過程，最大泄壓流量發(fā)生在3臺泵并列運(yùn)行并同時失電，且工作閥拒動工況，泄壓流量可達(dá)0.555m3/s。

4.2 啟閉時間

(1)泵站開機(jī)啟動的程序為：3臺泵啟動后，依次間隔5s，按5s線性規(guī)律逐臺開啟泵后工作閥，即，第一臺泵工作閥按5s線性規(guī)律全開完成后，間隔5s，再按5s規(guī)律開啟第二臺后泵工作閥，依次開第三臺泵工作閥。

(2)泵站關(guān)機(jī)的程序為：3臺泵保持運(yùn)行狀態(tài)，按9s線性規(guī)律關(guān)閉，間隔5s依次逐臺關(guān)閉工作閥，即，第一臺泵工作關(guān)閉完成后；間隔5s，再依次按同樣的規(guī)律關(guān)閉第二、第三臺泵的工作閥。

4.3 增加進(jìn)排氣閥

由于管線較長，原設(shè)計有11個空氣閥，根據(jù)計算結(jié)果在失電停泵或正常機(jī)停泵的情況下，管線2+870.0附近均會不同程度出現(xiàn)負(fù)壓，在該處附近新增3個空氣閥，最大進(jìn)/排氣量達(dá)到約2m3/s。

5 結(jié)語

泵站設(shè)計中根據(jù)調(diào)節(jié)計算布設(shè)水錘消除設(shè)施非常重要，無設(shè)施的壓力升高值是有設(shè)施的2倍，對泵和管路系統(tǒng)的運(yùn)行帶來的災(zāi)難甚至是毀滅性的；長距離的提水管道需要在頂點(diǎn)處布置空氣閥，以消除或減小彌合水錘的壓力，尤其要關(guān)注管路中段，即使不是明顯的頂點(diǎn)或高點(diǎn)，但由于位置的不利，對進(jìn)氣量的要求非常高；逆止閥與水錘消除設(shè)施應(yīng)設(shè)計成機(jī)械式的以保證在停電狀態(tài)下有雙保險。