超大型離心泵站過渡過程計(jì)算及水錘防護(hù)

馬彥斌，李 瑤，李江云

(武漢大學(xué)，武漢 430072)

1 概 述

中短距離的特大型離心泵并聯(lián)泵站在我國灌溉系統(tǒng)中并不多見，但隨著規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及跨流域調(diào)水的需求，泵站向高揚(yáng)程、大流量發(fā)展是將來的發(fā)展趨勢[1]。過去對于大型泵站主要指流量較大的大型排灌泵站，學(xué)界主要關(guān)注進(jìn)、出水流道設(shè)計(jì)對泵站高效穩(wěn)定運(yùn)行的影響；對于50 m左右的大流量高揚(yáng)程泵站，由于我國排灌泵站無類似工程，學(xué)界對其啟停過渡過程的研究尚未涉及。為尋找類似規(guī)模泵站工程經(jīng)驗(yàn)，可采用核電行業(yè)循環(huán)冷卻水泵站進(jìn)行對比，目前我國此類循環(huán)水泵站單臺機(jī)組功率可達(dá)7 000 kW左右，流量大多在20 m3/s以上[2]，與本文所討論的泵站相當(dāng)，但揚(yáng)程一般在20 m左右，其系統(tǒng)主要由混流泵、蝶閥、凝汽器及高位出流噴頭組成，采用蝶閥進(jìn)行停機(jī)斷流是普遍采用的水錘防護(hù)措施。本文涉及的特大型離心泵并聯(lián)機(jī)組(單機(jī)8 000 kW等級，揚(yáng)程50 m，流量12 m3/s)，流量規(guī)模為其一半，但揚(yáng)程翻倍，雖然單機(jī)規(guī)模相近，但由于有更大的揚(yáng)程，因此核電行業(yè)的循環(huán)混流泵機(jī)組的過渡過程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)雖可借鑒[4]，但由于泵站參數(shù)及管道組合形式與之不同，故必須對此類特大型離心泵并聯(lián)輸送系統(tǒng)的啟停過渡過程進(jìn)行針對性研究。

特大型離心泵輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用關(guān)閥啟動，以蝶閥、虹吸管加真空破壞閥聯(lián)合斷流。由于揚(yáng)程較大，水錘防護(hù)成為泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵措施[5]。由于出水管需要接虹吸管后出流，管道系統(tǒng)最大出水流速在2-4m/s，超過規(guī)范要求，給逆止閥的防護(hù)措施帶來一定難度。本文將針對上述超大型離心泵站的運(yùn)行特征展開過渡過程及水錘防護(hù)措施的研究。

2 計(jì)算建模及工況分析

2.1 工程概況

某特大型離心泵站一共安裝8臺單機(jī)容量為8 000 kW的立式蝸殼式離心泵機(jī)組，8臺機(jī)組分成兩組，每組4臺。每組的4臺泵先通過直徑2.2 m出水管逐步匯入集水管，然后通過一根直徑為4.1 m長約620 m的總管，將水排至出水渠道(如圖1)，泵站運(yùn)行參數(shù)如表1。

表1 泵站運(yùn)行主要參數(shù)Tab.1 Key operating parameters of pump station

2.2 建模及參數(shù)處理

(1)主泵立式蝸殼式離心泵參數(shù)。泵型：立式蝸殼泵

額定轉(zhuǎn)速：nR=300 rpm

額定力矩：TR= 210 912 N·m

額定流量：QR=11.4 m3/s，額定揚(yáng)程HR=53 m

(2)機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量。

水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量：GD2=31 700 kgm3。

(3)蝶閥：液壓開啟，重錘關(guān)閉；

開閥時間：20～90 s(可調(diào))；關(guān)閥時間：快關(guān)2.5～30 s，75±10°； 慢關(guān)6～90 s，15±10°。

(4)前池容積及水位。前池總?cè)莘e為13 000 m3，池頂與地面高程齊平，池底與渠底高程齊平，可概化為一個圓柱形的surge tank，等效直徑為51 m，前池初始液位近似等于進(jìn)水渠液位，啟動工況應(yīng)滿足最小淹沒深度，停泵工況應(yīng)滿足小于最大雍水水位。

表2 液控蝶閥開度與阻力系數(shù)對應(yīng)表Tab.2 The loss coefficient corresponding to the opening of butterfly valve

根據(jù)輸水管路系統(tǒng)參數(shù)，管線計(jì)算簡圖見圖1，通過對圖1系統(tǒng)中各元件進(jìn)行簡化，可建立如圖2所示的PIPENET軟件計(jì)算模型。

根據(jù)啟停泵過渡過程水錘防護(hù)的計(jì)算要求，對系統(tǒng)進(jìn)行以下簡化：

(1)進(jìn)出水邊界條件：由于前池容積較大，啟停泵過渡過程中，與前池水位相連的明渠水位波動范圍<0.3 m，對系統(tǒng)水錘壓力的影響很小可忽略不計(jì)，因此圖2所示的模型將進(jìn)水明渠作為壓力邊界考慮，其壓力為進(jìn)水明渠水深。

(2)關(guān)于虹吸管等非圓管管段，采用等面積的圓形管近似，并設(shè)置等效摩擦阻力模擬管段壓降，即可保證過渡過程的精度不受影響。

綜上，可將進(jìn)出水渠、前池至閘門、虹吸等矩形管段等面積等效為圓管進(jìn)行建模計(jì)算，粗糙高度根據(jù)常用鋼管及混凝土管粗糙高度取經(jīng)驗(yàn)值，常開閥門、三通、變徑管、偏心管、攔污柵等均作為水損元件輸入；上、下游邊界均為相應(yīng)進(jìn)、出水水位的壓力邊界；根據(jù)前池作用效果，前池容積由前池加攔污柵至閘門口段容積確定，為計(jì)算最不利工況點(diǎn)虹吸駝峰負(fù)壓情況，虹吸處標(biāo)高為駝峰頂部標(biāo)高。

2.3 工況分析

過渡過程計(jì)算及水錘防護(hù)控制參數(shù)：基于前池及出水池特征水位，保證多泵啟動水位滿足最小淹沒深，多泵同停且蝶閥拒動時保證前池不能冒頂，停泵倒流轉(zhuǎn)速不超過1.3倍額定轉(zhuǎn)速；計(jì)算停泵后緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉程序保證系統(tǒng)壓力不超過8 kg，泵后承壓能力為80 m水柱，系統(tǒng)壓力最低的虹吸駝峰頂部負(fù)壓控制在-8 m，此外對于并聯(lián)運(yùn)行的大型立式機(jī)組，對稱運(yùn)行原則下，還需要區(qū)分不同側(cè)遠(yuǎn)端和近端的并聯(lián)泵，以及并聯(lián)運(yùn)行時部分泵啟動或停機(jī)對其他運(yùn)行水泵的影響。據(jù)此，針對該泵站工況特點(diǎn)考慮計(jì)算工況如下：

(1)對系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下8臺機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以確認(rèn)給水阻力系統(tǒng)及泵全特性曲線在水泵區(qū)間與實(shí)際穩(wěn)定工況的符合性；

(2)在最高進(jìn)水位條件下，計(jì)算8臺泵機(jī)組同時事故停泵，緩閉蝶閥失靈情況下的泵機(jī)組是否小于飛逸轉(zhuǎn)速，前池水位是否冒頂；按規(guī)范要求離心泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得大于1.2倍額定轉(zhuǎn)速，但對于額定轉(zhuǎn)速較小的立式機(jī)組，一般可按1.3倍轉(zhuǎn)速計(jì)算，本文采用1.3倍額定轉(zhuǎn)速作為控制值；

(3)需對表3所列的工況進(jìn)行過渡過程計(jì)算。計(jì)算正常啟動工況下的開閥時間；計(jì)算停泵采用緩閉蝶閥進(jìn)行基于兩階段關(guān)閥程序的水錘防護(hù)，評估系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。重點(diǎn)關(guān)注以下5種關(guān)鍵工況校核的計(jì)算結(jié)果，即：①最大揚(yáng)程，8泵運(yùn)行，其中4泵同停，對運(yùn)行泵的影響；②對應(yīng)水位下，7泵運(yùn)行，1泵啟動，運(yùn)行泵對啟動泵的影響校核；③最大揚(yáng)程下，8泵同停校核前池雍水水位及蝶閥關(guān)閥程序；④最小揚(yáng)程下，2泵同停，單泵流量最大的蝶閥閥后水柱分離情況；⑤最小前池水位下，2泵同啟，前池最小淹沒水深校核。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

首先，根據(jù)穩(wěn)定流計(jì)算結(jié)果，由全特性曲線計(jì)算的水泵流量揚(yáng)程基本符合水泵特性曲線，因此建立的模型阻力系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.1 8泵運(yùn)行4泵同停對運(yùn)行水泵影響校核

3.1.1 蝶閥快關(guān)2.5 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉(2.5 s/0.25～6 s/0)

計(jì)算工況見表3。

表3 計(jì)算工況Tab.3 Operating condition of calculation

8臺泵運(yùn)行，其中4臺泵停機(jī)，蝶閥失靈的工況前池水深6.21～5.31 m，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-6.22 r/min(<1.3 ne)，故不關(guān)閉蝶閥系統(tǒng)是安全的，但為防止倒流需要實(shí)施關(guān)閥。選擇遠(yuǎn)離干管的兩臺泵(1號、2號)停泵的工況進(jìn)行分析，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖3所示。圖3(a)給出了最大的閥后壓力1號 泵停泵后的全線壓力包絡(luò)圖，由圖3(b)前池水深6.02～5.52 m，虹吸頂部壓力9.56～-8 m；由圖3(c)、圖3(d)為停泵和運(yùn)行泵流量、揚(yáng)程及轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化。1號泵所在管線閥后最大壓力為170.76 m，超過系統(tǒng)承壓上限，故為使系統(tǒng)安全，關(guān)閥時間應(yīng)慢于2.5 s/0.25～6 s/0的關(guān)閥程序。

3.1.2 蝶閥快關(guān)4 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉(4 s/0.25～6 s/0)

該工況下1#泵所在管線壓力包絡(luò)線如圖4(a)所示，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖4(b)～圖4(d)所示。由圖3(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管頂最小壓力-8 m，有少量的水柱分離現(xiàn)象發(fā)生，但由于停泵后不再啟動，故彌合水錘不大；由圖4(d)泵后最大壓力為149.36 m，超過系統(tǒng)承壓上限，故應(yīng)減緩閥門關(guān)閉速度。

3.1.3 蝶閥快關(guān)5 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉(5 s/0.25～6 s/0工況)

該工況下1號泵所在管線壓力包絡(luò)線如圖5(a)，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖5(b)～圖5(d)：由圖5(b)前池水深4.68～4.12 m，虹吸管頂最小壓力-8 m，有少量的水柱分離現(xiàn)象發(fā)生；圖5(b)給出了主泵停泵關(guān)閥后的參數(shù)變化；圖5(d)給出了關(guān)閥后的最大壓力為78.92 m，故在4泵同停工況下，蝶閥采用快關(guān)5 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉的關(guān)閥程序可達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的。

3.2 7泵運(yùn)行1泵啟動對啟動泵影響校核

7臺泵運(yùn)行、1臺泵啟動，采用閉閥啟動方式，啟動泵(8號泵)和運(yùn)行泵[以3號泵(與啟動泵異側(cè))和7號泵(與啟動泵同側(cè))為例]所在管線壓力包絡(luò)線如圖6(a)所示。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖6(b)～圖6(d)所示。圖6(b)、圖6(c)分別標(biāo)表明運(yùn)行泵(7號)后壓力最大為59.87 m，運(yùn)行泵(3號)泵后壓力最大為55.7 m，對運(yùn)行水泵影響不大，由圖6(d)閥前最大壓力為75.94 m，此工況安全。

3.3 最大揚(yáng)程8泵同停關(guān)閥程序

8臺泵運(yùn)行為該泵站的能力校核工況，校核停泵倒流情況以及停泵關(guān)閥的緩閉蝶閥關(guān)閥程序。

3.3.1 8泵同停閥門拒動倒流工況

校核8臺泵在對應(yīng)進(jìn)出水池水下運(yùn)行，停泵后逆止閥拒動水流失去動力發(fā)生倒流，主泵機(jī)組反轉(zhuǎn)前池涌水。校核前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖7所示。由圖7(a)前池水深6.64～4.89 m，虹吸頂部壓力-1.95～-4.15 m，由圖7(b)，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為-6.24 rps，小于1.3倍額定轉(zhuǎn)速，倒轉(zhuǎn)流量為-7.38 m3/s，1號泵后壓力最大為60.03 m，前池水位溢出地面(>6.62 m)發(fā)生冒頂，故應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的關(guān)閥程序。

3.3.2 蝶閥快關(guān)10 s到開度0.25，慢關(guān)20 s至全閉(10 s/0.25～20 s/0)

4號泵(閥后壓力最大)所在管線壓力包絡(luò)線如圖8(a)。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖8(b)～圖8(d)，由圖8(b)前池水深6.45～5.21 m，虹吸頂部壓力11.2～ -8 m，有水柱分離發(fā)生，但由于停泵后彌合水錘不大；4號泵閥后最大壓力約為89 m，超過系統(tǒng)的承壓上限(8 kg)，故需調(diào)緩關(guān)閥程序。

3.3.3 蝶閥快關(guān)30 s到開度0.25，慢關(guān)90 s至全閉(30 s/0.25～90 s/0)

根據(jù)上一工況計(jì)算結(jié)果，閥后壓力超過系統(tǒng)承壓上限，故將蝶閥兩階段關(guān)閉程序設(shè)為蝶閥快關(guān)30 s到開度0.25，慢關(guān)90 s至全閉，4號泵(閥后壓力最大)全管線壓力包絡(luò)線如圖9(a)，前池水深、4號泵泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖9(b)～圖9(d)。由圖9(b)，前池水深3.39～2.26 m，虹吸頂部壓力-8～ 12.05m，由圖9(d)閥后壓力最大約為89 m，依然超出系統(tǒng)限制壓力8 kg，說明延長快關(guān)及慢關(guān)時間沒有明顯效果，只能通過進(jìn)氣維持虹吸負(fù)壓防止水柱分離，但本文計(jì)算發(fā)現(xiàn)采用氣閥的效果依然不佳，因此建議只能通過提高系統(tǒng)承壓能力到9 kg以上方可保護(hù)系統(tǒng)安全。

3.4 最小揚(yáng)程工況，2泵同停關(guān)閥程序

3.4.1 蝶閥快關(guān)2.5 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉(2.5 s/0.25～6 s/0)

進(jìn)口水位最高、出口水位最低的工況下，水泵流量最大，揚(yáng)程最小，該工況下兩臺泵(4、5號)同時停機(jī)，管線壓力包絡(luò)線如圖10(a)；前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖10(b)～圖10(d)。由圖10(b)前池水深為5.92～5.62 m，虹吸管頂壓力-8～11.1 m，有少量水柱分離發(fā)生；由圖10(d)，4號泵閥后壓力94.02～-8 m，閥后發(fā)生水柱拉斷，由于單泵流速最大，因此閥后壓力超過系統(tǒng)承壓上限(8 kg)，仍需放緩關(guān)閥時間。

3.4.2 蝶閥快關(guān)3 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉(3 s/0.25～6 s/0)

該工況下兩臺泵(4、5號 )同時停機(jī)，蝶閥快關(guān)3 s到開度0.25，慢關(guān)6 s至全閉，管線壓力包絡(luò)線如圖11(a)，前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖11(b)～圖11(d)。由圖11(b)前池水深5.92～ 5.62 m，虹吸管頂壓力-8～ 5.64 m，由圖11(d)閥后壓力77.46～-8 m，系統(tǒng)安全。故該工況下，蝶閥兩階段關(guān)閉必須慢于3 s/0.25～6 s/0。

3.5 最低進(jìn)水位啟動，前池最小水深校核

為保證前池水流對稱流態(tài)穩(wěn)定，采用主泵對稱運(yùn)行的方式，故2泵機(jī)組工況為1+1泵啟動(1號/8號泵)，根據(jù)緩閉蝶閥開啟要求以及電機(jī)啟動電流控制時間，電機(jī)8.5 s達(dá)到同步啟動，然后開閥，20 s完成全開。前池水深、泵后流量壓力以及虹吸頂部壓力隨時間變化如圖12所示。由圖12(a)，閥前最大壓力為73.54 m，在泵殼承壓能力范圍之內(nèi)；由圖12(b)前池水深2.93～2.66 m(<1.62 m)，可保證主泵正常吸水；其次，虹吸管流量由0 m3/s增長至12.94 m3/s，根據(jù)駝峰斷面尺寸計(jì)算流速僅為0.76 m/s，該流速夾氣能力不足，難以自動形成真空，需要輔助抽氣系統(tǒng)完成啟動。

4 防護(hù)措施結(jié)論

本文涉及的大型立式離心泵泵站的并聯(lián)運(yùn)行的啟停過渡過程，由于泵站機(jī)組臺數(shù)多，體量大，計(jì)算中應(yīng)特別注意系統(tǒng)的簡化條件，比如若干管道連接到虹吸管過程中，由于各管道長短及阻力特性不同，造成并聯(lián)點(diǎn)不能按通常做法合并為一點(diǎn)，蝶閥關(guān)閥阻力特性必須考慮不同閥體結(jié)構(gòu)的影響。綜上，根據(jù)表3所列工況進(jìn)行了各種校核工況下的過渡過程計(jì)算，情況分析及工程建議：

(1)最低進(jìn)水位下，采用2泵同啟，前池最低液位可滿足最小淹沒深。

(2)最高進(jìn)水位下，8臺同停時蝶閥拒動，水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不會超過飛逸轉(zhuǎn)速或130%的額定轉(zhuǎn)速，但系統(tǒng)倒流將使前池接近冒頂，必須關(guān)閥保護(hù)，且盡快啟用真空破壞閥進(jìn)氣斷流；經(jīng)計(jì)算，該水位下，8臺同停，蝶閥兩階段關(guān)閉采用最慢關(guān)閥程序依然不能滿足閥后最大升壓低于8 kg的系統(tǒng)限壓，因此建議提升系統(tǒng)承壓能力為9 kg。

(3)兩階段關(guān)閥程序宜按最緩時間控制，建議統(tǒng)一采用快關(guān)5 s至0.25，慢關(guān)6 s至全閉；對于7泵～8泵同停情況，盡量采用最大關(guān)閥程序，即30 s快關(guān)至開度0.25(22°左右)，慢關(guān)90 s至全關(guān)；在系統(tǒng)最低揚(yáng)程下，2泵運(yùn)行工況出現(xiàn)單泵流量最大，假設(shè)2泵同停，關(guān)閥保護(hù)，則將發(fā)生短時的閥后水柱分離及彌合，也建議采用快關(guān)5 s至0.25，慢關(guān)6 s至全閉。

(4)7泵運(yùn)行1泵啟動工況，啟動泵采用閉閥啟動，線性開發(fā)時間20 s，可安全啟動；8泵運(yùn)行時，4泵同停合理關(guān)閥保護(hù)對運(yùn)行泵的影響不大。

(5)根據(jù)規(guī)范采用-8 m判斷水柱分離，而實(shí)際汽化壓為-9.5 m，計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于提前發(fā)生水柱分離，據(jù)此提出的工程防護(hù)措施更安全。

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