空氣閥口徑對長距離輸水系統(tǒng)停泵水錘防護(hù)效果影響分析

范 征

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 引言

在長距離泵站輸水系統(tǒng)中,受地形和沿途建筑物等限制,整個管線布設(shè)起伏曲折。此類泵站工程在水泵突然失電停機(jī)后極易引起管路系統(tǒng)中壓力的劇烈升高與降低。當(dāng)水錘現(xiàn)象發(fā)生時,由于管線較長,在管線中某些位置壓力下降形成負(fù)壓甚至低于水的飽和蒸汽壓力,發(fā)生汽化,形成氣體空腔,出現(xiàn)水柱分離現(xiàn)象；當(dāng)正壓波返回該處時,由于波的疊加效果再加上蒸汽空腔擠壓破裂,兩股分離的水流發(fā)生劇烈相撞,壓力突然升高,形成斷流彌合現(xiàn)象,這種壓力非常之高,超出管路的承壓很容易發(fā)生爆管。在泵站輸水工程中,水柱分離和斷流彌合瞬變現(xiàn)象對系統(tǒng)危害巨大。

目前,工程中常用的水錘防護(hù)措施主要有：單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔、空氣壓力罐、空氣閥、水泵控制閥等措施[1]。為了解決管線中排氣、補(bǔ)氣問題,在管線適當(dāng)位置裝設(shè)空氣閥是非常必要的。當(dāng)空氣閥位置處管內(nèi)壓力低于大氣壓力時,空氣閥自動開啟,空氣進(jìn)入管線中,防止負(fù)壓惡化；當(dāng)空氣閥位置處管內(nèi)壓力高于大氣壓力時,多余氣體通過空氣閥排出,同時管內(nèi)液體不排出。由于空氣閥的結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,經(jīng)濟(jì)投資少,且防護(hù)負(fù)壓效果顯著等特點(diǎn),因此在現(xiàn)階段大量輸供水系統(tǒng)中空氣閥作為防護(hù)水錘的措施有非常廣泛的應(yīng)用[2-3]。但是在實際工程中空氣閥大部分根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行布設(shè),由于布設(shè)不當(dāng)引起的管線破裂、壓扁等運(yùn)行安全問題也時有發(fā)生。同時,目前輸水工程中常采用可“大進(jìn)緩排”防水錘型空氣閥,則空氣閥的口徑選擇也對水錘防護(hù)有較大影響[4]。本文以工程實例為例,對輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程模擬計算,并提出適用于該工程的空氣閥口徑及停泵水錘防護(hù)方案。

2 水錘計算方法

2.1 水錘計算的特征線法

泵站水錘的計算是對整個水泵抽水裝置進(jìn)行計算分析,包括管道內(nèi)點(diǎn)及與管道連接的泵裝置中的各部分（邊界點(diǎn)）。通過對水錘基本方程,即運(yùn)動方程及連續(xù)性方程聯(lián)立,采用求解偏微分方程特征值的方法進(jìn)行方程求解。因此,通過采用特征線的方法將該偏微分方程組進(jìn)行離散,列出自特征線方向轉(zhuǎn)換出的兩列水錘全微分方程：

由式（1）和（2）進(jìn)行有限差分近似,可以得到對應(yīng)于圖1 所示的水錘離散特征線方程組：

圖1 水錘計算的特征線網(wǎng)格

解上述方程可得：

式中：Cp、CM為特征線方程的已知常數(shù)；B 為管道的特性常數(shù),R 為管道摩阻特性常數(shù),R= fΔx/（2 gDA2）；Q、H 分別為管道流量,m3/s,測壓管水頭,m；A 為管道斷面積,m2；f為管道摩阻參數(shù)；Δx 為網(wǎng)格管段長度。

2.2 空氣閥邊界條件

空氣閥邊界條件的物理模型見圖2。假定管內(nèi)壓力大于當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r,該點(diǎn)無氣體排出；管內(nèi)壓力低于當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r,空氣隨即流入該點(diǎn),管道截面即為特征線方程所計算的管道內(nèi)點(diǎn)。根據(jù)前述假定,管內(nèi)流入的空氣滿足如下氣體定律：

圖2 空氣閥的邊界條件

由圖2中給出的符號及質(zhì)量守恒定律,可將式（6）表示為：

與之相連的管道相容性方程為：

建立壓力水頭之間的關(guān)系為：

將式（7）～（9）聯(lián)立得：

空氣質(zhì)量流量方程可由流經(jīng)空氣閥的空氣質(zhì)量流量與壓力、溫度等導(dǎo)出[2]。求解空氣閥的邊界條件,則聯(lián)立空氣質(zhì)量流量方程及式（10）即可。

3 工程實例

3.1 工程概況

引洮一期會寧北部供水工程水廠泵站提水管線全長18.82 km,總管管徑0.5 m,進(jìn)水池設(shè)計水位1547.8 m,出水池設(shè)計水位1638.1 m,泵站設(shè)計流量0.242 m3/s,設(shè)計揚(yáng)程162 m。泵站共設(shè)3 臺臥式單級雙吸離心泵（2 用1 備）,單泵設(shè)計流量0.121 m3/s、設(shè)計揚(yáng)程162 m,額定轉(zhuǎn)速2960 r/min。在水泵出口,設(shè)置多功能水泵控制閥。

3.2 無防護(hù)措施停泵水錘計算

在無任何水錘防護(hù)措施的事故停泵工況下,管路沿線負(fù)壓嚴(yán)重,大部分出現(xiàn)汽化（-8.3 m）,無防護(hù)措施工況下水力坡度線見圖3。水泵流量及轉(zhuǎn)速變化曲線見圖4,由圖可知,在無防火措施工況下,水泵機(jī)組倒流倒轉(zhuǎn)嚴(yán)重,不滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖3 無防護(hù)措施工況下管線水力坡度線

圖4 水泵流量、轉(zhuǎn)速～時間曲線

3.3 泵后控制閥動作,不設(shè)空氣閥的水錘計算

由上節(jié)計算結(jié)果可知, 在無防護(hù)措施工況下, 管線負(fù)壓嚴(yán)重, 大部分管線發(fā)生汽化, 且水泵倒流倒轉(zhuǎn)明顯, 如無有效措施防止水泵的倒流倒轉(zhuǎn)將嚴(yán)重縮短水泵的運(yùn)行使用壽命。

多功能水泵控制閥是一種工程常用的泵后工作閥門,其可以通過水力自控的方式實現(xiàn)啟泵開機(jī)以及停泵關(guān)閉止回,尤其在停泵關(guān)閥階段,可以實現(xiàn)兩階段關(guān)閉即第一階段快關(guān)閥門開度的70%～90%,第二階段慢關(guān)至閥門關(guān)死,能滿足水錘需要,是較為理想的水泵工作閥門。本工程水泵出口采用多功能水泵控制閥作為泵后工作閥門。

根據(jù)多功能水泵控制閥工作原理,其在停泵后管線流量接近0 時大閥瓣關(guān)閉,即第一階段快關(guān)完成,進(jìn)入第二階段慢關(guān)狀態(tài)。根據(jù)工程經(jīng)驗,一般第二階段慢關(guān)時長可為快關(guān)時長5～8 倍。

根據(jù)上節(jié)計算成果,本工程事故停泵后,水泵開始倒流的時間約為停泵后19 s,則根據(jù)工程經(jīng)驗及多次數(shù)值模擬計算結(jié)果,選擇泵后控制閥關(guān)閥規(guī)律為第一階段0～19 s 關(guān)至80%,第二階段19 s～90 s 關(guān)至100%。事故停泵后泵后控制閥動作工況下水泵流量及轉(zhuǎn)速變化曲線見圖5。計算結(jié)果顯示,水泵最大倒轉(zhuǎn)速度為-2169 r/min,倒轉(zhuǎn)時間低于2 min,滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計要求。說明水泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律在合理范圍內(nèi)。

圖5 水泵流量、轉(zhuǎn)速～時間曲線

3.4 泵后控制閥動作,設(shè)空氣閥的水錘計算

在事故停泵泵后閥門關(guān)閉,不設(shè)空氣閥工況中,雖然水泵的倒流倒轉(zhuǎn)情況得到改善,但由于管路沿線并未做水錘防護(hù)措施設(shè)置,因此管線負(fù)壓水錘依然嚴(yán)重,尤其管線后段產(chǎn)生高壓彌合水錘明顯。為解決管線負(fù)壓問題,在管線凸起點(diǎn)及高壓彌合水錘嚴(yán)重部位裝設(shè)空氣閥共25 個?？諝忾y采用快進(jìn)緩排型防水錘空氣閥,選取進(jìn)氣口徑為80 mm,排氣口徑為10 mm。裝設(shè)空氣閥后事故停泵下水力坡度線見圖6。由表1 計算結(jié)果可知,在空氣閥口徑80/8 時,管線負(fù)壓為-7.3 m,管路沿線未出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。說明裝設(shè)空氣閥可以有效控制管線負(fù)壓水錘。

表1 不同工況下計算結(jié)果統(tǒng)計表

圖6 裝設(shè)空氣閥工況下管線水力坡度線

3.5 空氣閥口徑優(yōu)化

根據(jù)上節(jié)成果可知,空氣閥對管線負(fù)壓水錘防護(hù)有效。根據(jù)空氣閥的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn),空氣閥口徑技術(shù)參數(shù)為可大口進(jìn)氣的大口進(jìn)氣口徑以及具有緩沖排氣作用（緩沖板）的小口排氣口徑。為確定該技術(shù)參數(shù),本次分別對大口口徑80 mm、50 mm、100 mm,小口口徑20 mm、10 mm、8 mm、5 mm、2 mm 進(jìn)行水力過渡過程計算,以優(yōu)化空氣閥口徑參數(shù)。計算成果見表1。

由表1 數(shù)據(jù)分析可得,當(dāng)空氣閥小口口徑一致時,大口口徑越大對負(fù)壓防護(hù)越好,但大至一定規(guī)格反而效果不明顯,這說明空氣閥大口口徑并不是越大越好,分析原因是在該點(diǎn)需補(bǔ)氣量在一定口徑范圍內(nèi)即夠用,另外,若口徑較小時有補(bǔ)氣不足的問題產(chǎn)生。當(dāng)空氣閥大口口徑一定時,小口口徑越小對負(fù)壓防護(hù)越好,這是因為空氣閥的小口具有緩排的功能,能夠使進(jìn)入管線的空氣在排出時具有緩沖作用,以此緩解水錘,但由于空氣閥小口是設(shè)置在其緩沖板結(jié)構(gòu)中,過小的小口口徑不利于部件加工,且易產(chǎn)生堵塞問題。結(jié)合空氣閥口徑優(yōu)化成果,本工程空氣閥口徑參數(shù)選取為80/5。

4 結(jié)論

在長距離泵站輸水管線中,事故停泵后極易引起水錘現(xiàn)象,危害系統(tǒng)安全運(yùn)行。本文通過工程實例進(jìn)行水錘數(shù)值模擬計算得到具體結(jié)論如下：

1）對于有可能產(chǎn)生水錘危害的泵站工程,應(yīng)通過事故停泵水錘計算來確定系統(tǒng)水錘防護(hù)方案。

2）泵后裝設(shè)具有合理關(guān)閥規(guī)律的控制閥,能夠有效控制事故停泵后水泵的倒流倒轉(zhuǎn)。

3）管路沿線裝設(shè)空氣閥對于事故停泵后管線負(fù)壓防護(hù)效果明顯,空氣閥布設(shè)位置除應(yīng)布置在局部凸點(diǎn)外,還需要根據(jù)水錘計算結(jié)果,分析確定布設(shè)于負(fù)壓嚴(yán)重的部位。

4）空氣閥的主進(jìn)排氣口徑（大口）選取過小會影響水錘防護(hù)效果,選取過大則效果無改善；緩沖小口口徑選取越小對負(fù)壓防護(hù)越好,但應(yīng)結(jié)合設(shè)備制造難度及工程實際環(huán)境合理選取。

5）通過工程實例可知,泵后設(shè)合理關(guān)閥規(guī)律的多功能水泵控制閥配合管路沿線設(shè)空氣閥的水錘防護(hù)方案是安全可靠的,對于空氣閥口徑優(yōu)化的探究為其他類似工程提供了經(jīng)驗。