泵站水錘計算與緩閉止回閥關(guān)閉時間的確定

陳志堅

(深圳市龍崗區(qū)龍口水庫管理處，廣東深圳518172)

龍口水庫抽水站位于深圳市龍崗區(qū)橫崗鎮(zhèn)排榜村，距離龍口水庫管理處辦公樓約4 km，取水口位于東深供水隧洞一號支洞。抽水站現(xiàn)裝有臥式32SA－10C型水泵機組3臺，單機容量1 250 kW，正常運行為兩用一備，設(shè)計提水流量為2.50 m3/s，正常運行日提水量21萬m3。龍口水庫屬小(1)型水庫，總庫容994萬m3，主要水利樞紐由抽水站、南庫、北庫、連通渠、大壩、副壩組成。主要任務(wù)是調(diào)節(jié)東深引水，保證深圳市龍崗區(qū)供水。水庫流域面積1.93 km2，水庫轄管面積2.7 km2。泵站裝機數(shù)為3臺。水泵揚程H0=62 m，Q為7 000 m3/h。改造后最大工況為3臺投入使用。泵站屬地下式泵房，壓力管全長為667.05 m。主泵出口段管徑為DN800。由于壓力管道沿途要經(jīng)過公路，大壩設(shè)有虹吸、倒虹吸，排氣管口等故屬于水泵揚程大，高程變化大的輸水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實際運行中極易發(fā)生水錘。該泵站沒有設(shè)置調(diào)壓井，從泵站安全運行及維修角度出發(fā)在泵口出水處設(shè)置了緩閉止回閥，以降低水錘對整個系統(tǒng)的壓力，可見緩閉止回閥在整個泵站安全運行中的重要性。而設(shè)置緩閉閥的關(guān)閉時間也就成為泵站安全運行的重中之重。最低水位▼27.55 m高程關(guān)系詳見圖1。

圖1 管線高程變化示意圖

1 水錘計算

式中:μ為水管特性常數(shù)，μ=аV0/2gH。;v0為閥門全開啟時管道流流速，m/s;а為介質(zhì)的水錘波速(介質(zhì)為水時，取а=1 000 m/s);H0為上下游水頭差或水泵揚程，kPa;τ0為無量綱閥門開度(τ0為起始開度)。

閥門全開時，τ=1.0，每臺水泵流量 Q=7 000 m3/h，揚程Hо=607.6 kPa。所以最不利工況為3臺水泵同時斷電(改造后3臺機組同時運行)屆時管內(nèi)流流速ν0=3.86 m/s。當(dāng)上下游水頭差 H=440.51 kPa，則 μ=4.377，μτ0=4.377＞1.5，屬極限水錘。當(dāng) H0=607.6 kPa(水泵揚程)，則 μ=3.173，μτ0=3.173 ＞1.5，屬極限水錘。

水錘計算公式為:

式中:Hmax為最大水錘壓力，kPa;Hm為最大水錘壓力相對值。

對于極限水錘計算公式為:

式中:σ為水管特性常數(shù)。σ=LV0/gH0Ts;L為管道長度，L=667.05 m;Ts為閥門關(guān)閉時間，s。

計算成果見表1。

表1 水錘計算表

假設(shè)事故突然停泵，管內(nèi)液體在t=0內(nèi)停止流動。管路中的總壓力h按下式計算。

式中:V1為正常運行時管中水流速度，m/s;V2為閥門關(guān)閉后管中水流流速度，m/s;g為重力加速度;c為管路中的衡擊波傳播速度。彈性薄壁鋼管約以1 000 m/s的速度傳播。

2 鋼管的強度校驗

泵出口鋼管選用A3鋼，即:

式中:p為管內(nèi)壓力，取最大值p=4.3MPa;D為管內(nèi)直徑，D=0.8 m;δ為管壁厚度，出口管壁δ=10 mm。

由第三強度公式pD/2δ≤﹝σ﹞得:

第四強度公式pD/2.3δ≤﹝σ﹞得:

而泵出口管壁δ=10mm＞8.6mm

可見第三，第四強度公式計算證明在最大水錘壓力作用下，泵站出水鋼管可以承受最大直接水擊壓力。

3 設(shè)置緩閉止回閥

龍口泵站采用的HD7s41X－10型緩閉閥的工作原理如下。在進口端介質(zhì)作用下，閥瓣自動開啟到位，同時液壓缸內(nèi)活塞上升到最高位置閥門開啟。當(dāng)停泵液壓缸內(nèi)介質(zhì)回流，閥瓣在自重和水壓力下首先迅速關(guān)閉到緩閉角位置，然后再慢關(guān)到全閉位置，以達到既停止介質(zhì)大量倒流又防止水錘升高的目的。另外可旋轉(zhuǎn)緩閉調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)緩閉時間長短(即可調(diào)節(jié)Ts)，順時針調(diào)節(jié)緩閉時間延長，逆時針調(diào)節(jié)緩閉時間縮短。

主要性能包括:公稱壓力為1 MPa;介質(zhì)流速為≤5 m/s;緩閉角為30°。

進行系統(tǒng)的水錘計算，目的就是找到合適的關(guān)閉規(guī)律，確定關(guān)閉時間(Ts)，從而確定水錘對泵站的振動。而關(guān)緩閉止回閥的關(guān)閉時間從表1中可以看到產(chǎn)生的水錘都在安全壓力值范圍內(nèi)。10 s時間段產(chǎn)生水水錘較大且不在閥門時間調(diào)節(jié)范圍內(nèi)故不考慮，在10～60 s時間段范圍內(nèi)應(yīng)取壓力值相差不大，關(guān)閉時間又較短的。

4 結(jié)論

1)建議3臺機組安裝緩閉閥關(guān)閉時間確定為10 s＜Ts≤20 s。

2)正常運行期間，禁止2臺以上機組同時停機。

3)另外，關(guān)于止回閥的選擇要注意關(guān)閉規(guī)分律，最好為二段關(guān)閉:第一段在短時間內(nèi)閥瓣關(guān)到最小開度(本站選用30°)，然后緩閉其余開度。

本站Ts約為14 s，運行10 a來一直平穩(wěn)正常。

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