供水系統(tǒng)瞬變流分析及運(yùn)行調(diào)節(jié)安全研究

袁 哲，周子旋

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

對(duì)于大型水廠供水系統(tǒng)，從水力特性和系統(tǒng)構(gòu)成上看，揚(yáng)程高、流量大、供水管線長、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜且水力邊界條件復(fù)雜[1-3]，這些典型特點(diǎn)對(duì)供水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行及優(yōu)化調(diào)度帶來了一系列問題，為保證工程在設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)工程運(yùn)行當(dāng)中的水力過渡過程計(jì)算、水錘的安全防護(hù)以及運(yùn)行安全調(diào)度進(jìn)行深入研究。

關(guān)于供水系統(tǒng)中的瞬變流問題，國內(nèi)已有相關(guān)的研究：劉竹溪等[4]對(duì)研究泵站系統(tǒng)水力過渡過程起到了重要的作用；黃時(shí)鋒等[5]、吳遠(yuǎn)為等[6]研究了水泵失電工況出口閥關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)選，結(jié)果表明其能夠有效預(yù)防供水系統(tǒng)水擊破壞事故的發(fā)生；郭偉奇等[7]、周廣鈺等[8]研究了重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施的比較分析；冀健紅等[9]、李開來等[10]研究了加壓泵站輸水系統(tǒng)的停泵水錘防護(hù)措施。

基于以上研究成果，本文采取特征線法建立供水系統(tǒng)全線水錘計(jì)算模型，對(duì)不同水錘防護(hù)措施進(jìn)行可行性分析，并提出合理的水錘防護(hù)措施，在確保供水工程安全運(yùn)行的情況下，進(jìn)行泵站運(yùn)行調(diào)度的相關(guān)研究。

1 水力過渡過程計(jì)算數(shù)學(xué)模型

描述任意管道中水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本方程為：

(1)

(2)

式中H——測(cè)壓管水頭；Q——流量；D——管道直徑；A——管道橫截面積；t——時(shí)間變量；a——水錘波速；g——重力加速度；x——沿管軸線的距離；f——摩阻系數(shù)；β——管軸線與水平面的夾角。

式(1)、(2)可簡化為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計(jì)算特征相容方程。

對(duì)于長度L的管道，如果分成N段，每一段的長度為Δx=L/N，并取計(jì)算時(shí)間步長為Δt=Δx/a，可以繪出x-t平面上的矩形網(wǎng)格見圖1。

圖1 x-t特征線網(wǎng)格示意

由此，可建立如下特征相容方程：

C+:HPi=Cp-BPQPi

(3)

C-:HPi=CM+BMQPi

(4)

式中，CP、CM、BP、BM是t-Δt時(shí)刻的已知量，分別為：

CP=Hi-1+BQi-1；CM=Hi+1-BQi+1

BP=B+R|Qi-1|；BM=B+R|Qi+1|

其中，B、R是常數(shù)，分別為：

在輸水管道系統(tǒng)的水力過渡過程計(jì)算時(shí)，一般從初始穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)開始，并取此時(shí)為t=0，即此時(shí)對(duì)應(yīng)的各參數(shù)值為初始已知值。式(3)、(4)均只有2個(gè)未知數(shù)參數(shù)，結(jié)合邊界條件即可求解。

2 工程概況

某大型水廠供水工程輸水管道管中心遠(yuǎn)程線見圖2。圖中h、l分別為高程和距離泵后的長度。供水長度超過30 km，并聯(lián)3臺(tái)臥軸單級(jí)雙吸離心泵，單泵流量0.753 m3/s，水泵揚(yáng)程為44 m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為200 kg·m2,額定轉(zhuǎn)速990 r/min，泵后設(shè)有液控蝶閥，出廠水通過泵房增壓后分2根管道，其中一根管徑DN 1000，管道接至調(diào)壓閥后支線；另一根管徑DN 1400，管道接至調(diào)流閥前清水總管。

圖2 輸水管道管中心高程線

依據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》[11]，水錘防護(hù)措施的設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.4倍最大工作壓力。對(duì)加壓輸水管道，事故停泵后的水泵反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)大于其額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，且超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2 min。

系統(tǒng)管道沿線最大負(fù)壓原則性上不應(yīng)超過-8.0 m。當(dāng)采用調(diào)壓塔和空氣壓力罐進(jìn)行負(fù)壓防護(hù)時(shí)，其水錘防護(hù)措施的選擇和設(shè)置應(yīng)保證在各種工況下管道不出現(xiàn)負(fù)壓；當(dāng)采用空氣閥進(jìn)行負(fù)壓防護(hù)時(shí)，其管道負(fù)壓計(jì)算值不應(yīng)超過-3.0 m。

3 供水系統(tǒng)水力過渡過程研究

3.1 控制工況水力過渡過程計(jì)算

針對(duì)供水系統(tǒng)典型供水工況、高日高時(shí)、均日均時(shí)3種工況，進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算研究。充分考慮水廠實(shí)際泵組情況，為達(dá)到供水系統(tǒng)日供水量規(guī)模的需求，合理選取控制工況，進(jìn)行水力過渡過程校核計(jì)算。無水錘防護(hù)措施時(shí)，輸水管道沿程最小測(cè)壓管水頭線及水泵轉(zhuǎn)速變化過程曲線見圖3、4。

圖3 輸水管道沿程最小測(cè)壓管水頭線

圖4 水泵轉(zhuǎn)速變化過程線

水廠供水系統(tǒng)在控制工況下穩(wěn)定運(yùn)行突然失電的情況，系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力可達(dá)-10.0 m，供水系統(tǒng)中出現(xiàn)過大的負(fù)壓，導(dǎo)致水體汽化并可能產(chǎn)生彌合水錘，從而可能造成系統(tǒng)管道的破壞事故發(fā)生；另外，水泵出口閥拒動(dòng)情況下的泵組最大反轉(zhuǎn)速超過了額定轉(zhuǎn)速值，可能發(fā)生水泵破壞事故。因此，應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)水錘防護(hù)措施，預(yù)防危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

3.2 水錘防護(hù)措施分析

從盡可能減小水泵事故失電情況下可能產(chǎn)生的水錘風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，水泵出口閥關(guān)閉規(guī)律推薦按照兩階段折線關(guān)閉，中間轉(zhuǎn)折點(diǎn)開度為15°，當(dāng)不進(jìn)行其他工程措施時(shí)，考慮不同關(guān)閉規(guī)律情況下的系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力差別不大，減小水泵出口閥的總關(guān)閉時(shí)間對(duì)于水泵最大反轉(zhuǎn)速是有利的[12-13]。

從水錘防護(hù)角度出發(fā)，探討合理、可行的水錘相關(guān)防護(hù)措施是非常有必要的。對(duì)長距離輸水管道來說，一般常見的水錘防護(hù)措施包括以下幾種[14-16]。

a)增大泵組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。采用增大泵組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式水錘防護(hù)效果較好，但一般在工程設(shè)計(jì)階段確定，對(duì)于已建工程，改造難度相對(duì)較大。

b)設(shè)置調(diào)壓塔。采用調(diào)壓塔進(jìn)行水錘防護(hù)是一種較為可靠的水錘防護(hù)措施，在有壓輸水系統(tǒng)中比較多見，具有運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于高揚(yáng)程供水系統(tǒng)來說，常規(guī)調(diào)壓塔的高度一般較高；實(shí)際工程中，如常規(guī)調(diào)壓塔的布置受限時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，探討研究采用低位調(diào)壓塔的布設(shè)方案。

c)設(shè)置單向補(bǔ)水塔或高壓空氣罐方案。工程量相對(duì)較小，施工周期較短，但水廠水位相對(duì)較高時(shí)，系統(tǒng)水力過渡過程中如果空氣通過進(jìn)排氣閥進(jìn)入大體積空氣而未及時(shí)排出系統(tǒng)管道，隨后可能出現(xiàn)數(shù)值較大的含氣水錘，造成供水系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

d)設(shè)置進(jìn)排氣閥。進(jìn)排氣閥具有造價(jià)低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程中，空氣進(jìn)入管道系統(tǒng)中需要及時(shí)排出，未及時(shí)排出的氣體存在管道中，可能導(dǎo)致壓力較大的氣水錘的發(fā)生，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

根據(jù)工程實(shí)際情況，將系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)降低到最小，本文研究布設(shè)低位調(diào)壓塔方案：封閉水箱作為主室，下部通過連接管與支管連接，上部通過升管向上延伸并與大氣相通。模擬水廠泵組突然失電時(shí)水力過渡過程，水泵出口閥按照推薦規(guī)律關(guān)閉。

管道局部高點(diǎn)處布設(shè)低位調(diào)壓塔，輸水管道沿程測(cè)壓管水頭包絡(luò)線及水泵轉(zhuǎn)速、調(diào)壓室水位變化過程曲線見圖5、6。

圖5 輸水管道沿程測(cè)壓管水頭包絡(luò)線

圖6 水泵轉(zhuǎn)速及調(diào)壓室水位變化過程線

采用布設(shè)低位調(diào)壓塔的方案，供水系統(tǒng)最大最小內(nèi)水壓力符合要求，泵組基本不發(fā)生反轉(zhuǎn)，調(diào)壓塔最低水位不發(fā)生漏空，有效解決和消除了水錘事故，滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求。

4 供水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度及安全研究

4.1 供水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度

降低供水系統(tǒng)的能耗，提高泵組運(yùn)行的效率，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，主要涉及水廠清水管線的接入點(diǎn)壓力以及水廠供水量的合理選取2個(gè)問題。為達(dá)到提高供水流量的目的，可以從降低水廠接入點(diǎn)壓力的角度出發(fā)，降低水泵正常運(yùn)行的工作揚(yáng)程。

4.1.1清水管線接入點(diǎn)控制壓力計(jì)算

根據(jù)泵站水泵并聯(lián)運(yùn)行特性可知：當(dāng)3臺(tái)水泵工頻并聯(lián)抽水運(yùn)行時(shí)，揚(yáng)程越小，水泵抽水量越大。因此，在清水池水位一定的情況下，水廠清水接入點(diǎn)的壓力越小，水泵抽水量越大。水廠清水接入點(diǎn)的壓力變化范圍可從以下2個(gè)方面估算。

a)水廠清水接入點(diǎn)壓力最大值。根據(jù)該水廠的供水能力和清水總管設(shè)計(jì)輸水能力，該水廠清水接入點(diǎn)壓力最大值為51.84 m左右。

b)水廠清水接入點(diǎn)壓力最小值。選取控制工況，模擬水廠單泵、兩泵、三泵工頻穩(wěn)定抽水運(yùn)行下，管道沿程測(cè)壓管水頭線分布(圖7)。

圖7 輸水管道沿程測(cè)壓管水頭包絡(luò)線

單泵、兩泵、三泵工頻運(yùn)行情況下，水廠清水接入點(diǎn)測(cè)壓管水頭分別為45.1、47.7、49.1 m,以管道當(dāng)中不出現(xiàn)負(fù)壓為控制指標(biāo)，水廠清水接入點(diǎn)測(cè)壓管水頭應(yīng)大于45.1 m。

4.1.2水廠3臺(tái)大泵工頻并聯(lián)運(yùn)行最大供水量計(jì)算

當(dāng)水廠3臺(tái)大泵工頻并聯(lián)運(yùn)行，地區(qū)總需水量一定時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際布置情況，本文探討以下2種方案，來實(shí)現(xiàn)增大該水廠供水量的目的。

a)通過減小水廠分岔點(diǎn)前主管的電動(dòng)蝶閥開度，降低水廠接入點(diǎn)的供水壓力，從而減小水廠增壓水泵正常運(yùn)行時(shí)的工作揚(yáng)程，提高泵組供水量。

b)通過同時(shí)調(diào)整分岔點(diǎn)后的電動(dòng)蝶閥及調(diào)流閥，降低岔點(diǎn)供水壓力，增大泵站供水。

2種方案下閥門開度與供水量之間的關(guān)系見圖8、9，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1、2。

圖8 方案1閥門開度與供水量之間的關(guān)系曲線

圖9 方案2閥門開度與供水量之間的關(guān)系曲線

表1 方案1系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 方案2系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算結(jié)果

當(dāng)不考慮水廠供水系統(tǒng)泵組失電等水錘風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)需水量一定的情況下，通過以上2種方案，均可以提高水廠的供水規(guī)模。當(dāng)兩閥門完全關(guān)閉，完全由該水廠來供水時(shí)，清水接入點(diǎn)壓力水頭為39.60 m，低于系統(tǒng)允許最小壓力；方案1閥門開度6.7°左右時(shí)，水廠清水接入點(diǎn)壓力水頭為45.54 m的系統(tǒng)允許最小壓力，水泵揚(yáng)程為44 m，泵組運(yùn)行效率最高；方案2電動(dòng)蝶閥開度為5.0°、調(diào)流閥開度為4.5°時(shí)，水廠清水接入點(diǎn)壓力水頭為45.53 m的系統(tǒng)允許最小壓力，水泵揚(yáng)程為44 m，泵組運(yùn)行效率最高。

另需注意的是，對(duì)于以上2種方案，均需電動(dòng)蝶閥參與系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)。在相同條件下，綜合考慮蝶閥開度、運(yùn)行切換操作的方便性等因素影響，采用方案1減小水廠分岔點(diǎn)前主管的電動(dòng)蝶閥開度的方案更合理。

4.2 最大供水量水力過渡過程校核計(jì)算

采用減小水廠分岔點(diǎn)前主管的電動(dòng)蝶閥開度對(duì)水廠供水系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)應(yīng)水廠最大供水流量下，按照本文推薦調(diào)壓塔布置方案，水力過渡過程計(jì)算校核結(jié)果見表3。

表3 水廠最大供水量情況下水力過渡過程計(jì)算

對(duì)于水廠最大供水量情況，水廠供水系統(tǒng)在控制工況下穩(wěn)定運(yùn)行突然失電的情況，若主管蝶閥拒動(dòng)，調(diào)壓塔將出現(xiàn)漏空，且系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力出現(xiàn)較大的負(fù)壓值；若水廠泵組失電的同時(shí)開啟主管蝶閥(300 s以內(nèi)達(dá)到全開)，系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力不會(huì)出現(xiàn)新的控制值，且調(diào)壓塔不發(fā)生漏空現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性可以得到有效保證。

5 結(jié)語

通過對(duì)某實(shí)際水廠供水工程進(jìn)行水力過渡過程模擬，探討供水系統(tǒng)工程的安全運(yùn)行與生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度問題，得到以下結(jié)論。

a)在穩(wěn)定運(yùn)行突然失電情況下，對(duì)失事可能造成的后果，分析提出了采用布設(shè)低位調(diào)壓塔的水錘防護(hù)措施，保證了最小內(nèi)水壓力、最大內(nèi)水壓力、泵組最大反轉(zhuǎn)速及調(diào)壓塔最低涌波水位均能夠滿足安全運(yùn)行要求。

b)綜合考慮蝶閥開度、運(yùn)行切換操作的方便性等因素影響，采用減小水廠分岔點(diǎn)前主管的電動(dòng)蝶閥開度方案可以提高水廠的供水量；對(duì)于水廠最大供水量情況，采用布設(shè)低位調(diào)壓塔的水錘防護(hù)措施，若水廠泵組失電的同時(shí)開啟調(diào)節(jié)閥(300 s以內(nèi)達(dá)到全開)，系統(tǒng)最小內(nèi)水壓力不會(huì)出現(xiàn)新的控制值，且調(diào)壓塔不發(fā)生漏空現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性可以得到有效保證。