緩閉蝶閥關閉規律對事故停泵水錘的影響

邱象玉 王浩 孫慶宇

摘要：采取有效措施降低事故停泵時泵站系統的最大正壓、水泵的最大反轉速及反轉持續時間是避免事故停泵水錘危害發生的關鍵。針對長距離輸水泵站事故停泵普遍存在的倒轉及最大正壓引起的泵站系統安全問題，以北京市某重點水利工程為例，利用成熟的hammer軟件，對該工程泵站系統事故停泵水錘進行了數值模擬計算。通過分析緩閉蝶閥線性關閉及兩階段關閉規律對最大壓力、倒轉轉速的影響，最終推薦了該工程合理的緩閉蝶閥關閉時間規律。結果表明：泵后緩閉蝶閥兩階段關閉規律對事故停泵水錘最大反轉速及反轉持續時間有較大影響，合理的緩閉蝶閥兩階段關閉規律能有效降低甚至消除事故停泵水錘，是泵站系統事故停泵水錘防護的有效措施。

關鍵詞：停泵水錘;緩閉蝶閥;泵站系統;數值模擬

中圖分類號：TV134.1;TV672.2

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 023

水泵事故斷電時若不采取有效的水錘預防措施，會形成嚴重的事故停泵水錘[1]。常見的事故停泵會造成管路漏水、停水，嚴重時會造成葉輪飛逸，泵房被淹，甚至水泵、閥門設備破壞造成人員傷亡事故。國內的專家學者已經在事故停泵水錘防護措施方面進行了大量研究，取得了許多成果[2-3]。鄧安利等[4-6]針對事故停泵系統負壓對水錘的影響，研究采取空氣罐及排氣閥防護措施來解決負壓問題。林琦等[7-8]針對事故停泵數學模型指出了常用計算方法的不足，并在調整算法、改進時間步長等方面對模型進行了改進。楊曉蕾等[9-10]研究了蝶閥線性關閉規律對重力流系統的影響，但未涉及壓力供水系統。黃時鋒等[11-12]對壓力供水系統水泵出口閥關閉規律進行了研究，重點分析了壓力供水系統正壓及負壓，并提出了相應的防護措施。但是緩閉蝶閥關閉規律對于壓力供水系統事故停泵水泵倒轉的影響往往被忽視，采取有效措施降低事故停泵時水泵的最大反轉速及反轉持續時間是避免事故停泵水錘危害發生的關鍵。筆者利用成熟的hammer軟件，結合北京市重點水利工程，對泵站系統事故停泵水錘進行了數值模擬計算，并采取泵后設置緩閉蝶閥措施，分析了緩閉蝶閥關閉規律對事故停泵水錘的影響。

1 緩閉蝶閥數學模型的建立

hammer軟件是目前國內外比較成熟的水錘計算軟件，通過建立系統中水泵、閥門、管道等關鍵設備的數學模型，并賦予初始計算條件，采用成熟的特征線法[13]反復迭代計算來模擬泵站系統事故停泵水錘。本文研究對象主要為與事故停泵倒轉密切相關的泵后緩閉蝶閥數學計算模型。蝶閥通用數學計算模型[14]原理及計算公式如下。

假設蝶閥已經安裝在已知的兩段管道之間，蝶閥的孔口方程需與兩端連接的管道聯合處理，同時考慮管道中的水流可以反向流動。在模型中，蝶閥中流體的加速或減速影響可忽略不計，即蝶閥中流體體積恒定不變，那么蝶閥出流的瞬變過程即可滿足穩態閥門孔口方程：

2 水錘計算與結果分析

2.1 設計實例

以某實際泵站工程為例，該工程設3臺臥式離心泵（兩用一備）。單泵設計流量5 m/s，設計揚程55.8m，水泵額定轉速495 r/min，單泵配套功率2 500 kW。系統凈揚程約33.5 m，管路損失約20 m，輸水管道總長約22.5 km，采用DN2600的PCCP管單管輸水。泵站工程系統如圖2所示。

工程中泵后緩閉蝶閥設計采用DN1600液控緩閉蝶閥。液控緩閉蝶閥具有止回閥和閘閥的雙重功能，該閥門的突出優點是在事故斷電時可以通過液壓操作系統來控制閥門的啟閉，從而避免閥門斷電拒動，造成停泵事故水錘現象。根據廠家提供的蝶閥流阻曲線圖得到的各開度下阻力系數曲線如圖3所示，其中：開度90°為全開，0°為全關，蝶閥全開時阻力系數ξ= 0.137。

2.2 計算分析目的

根據泵站設計規范要求，長距離輸水工程事故停泵時，水泵及管路系統的水錘瞬態參數應滿足[15]：①離心泵的最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的時間不應超過2 min;②管路系統的最大壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.5倍：③輸水系統任何部位不應出現水柱斷裂。由于該工程輸水管路系統較長、流量較大，且管材為大口徑的PCCP管（管道承壓能力有限）等，因此事故停機時系統允許最大壓力水頭≤80 m.最小負壓水頭≥-3.5 m（負號僅表示負壓），水泵最大倒轉數不允許超過額定轉速，倒轉持續時間不允許超過2 min。

本文計算分析的目的是：通過多種開關規律分析計算優化調整泵后液控緩閉蝶閥在事故停機時的關閉規律及時間，以確保系統發生事故停機時能夠滿足規范設計要求，保證系統安全穩定運行。

2.3 計算內容及結果分析

事故停泵產生水錘的常見原因有兩種：一是管理人員操作失誤;二是天災導致事故斷電。長距離輸水工程在事故停機時泵后緩閉蝶閥拒動是不允許的，閥門拒動將引起嚴重的水錘事故，尤其水泵倒轉及水柱斷裂會對泵站及管路系統造成嚴重的危害。

水泵事故停機時，液控緩閉蝶閥開關規律對泵站系統安全穩定運行起著關鍵的作用，閥門關閉的快慢對管路系統最大、最小壓力的波動較大，而且閥門關閉的時間長短尤其影響水泵的最大反轉速度。利用hammer軟件建立泵站系統模型，以模擬分析泵站系統事故停機過程。

2.3.1 事故停機緩閉蝶閥拒動規律分析

模擬計算事故停機時閥門拒動規律，可以確定泵站及管路系統最大、最小水頭包絡線，以及水泵最大倒轉數、倒轉時間。分析這些關鍵參數是否滿足規范要求，從而為下一步緩閉蝶閥關閉規律分析計算提供參考。

圖4中事故停機泵后液控閥門拒動時，系統管路最大壓力水頭為62.0 m.最小壓力水頭為-4.0 m，系統最大水錘壓力為額定壓力的1.12倍，滿足設計要求。

圖5中事故停機泵后液控閥門拒動時，系統管路最大倒轉速度為-469 r/min.約為額定轉速的0.95倍，已經很接近額定轉速，而且水泵倒轉從事故斷電150 s開始持續到800 s左右，倒轉持續時間在10 min以上，但是倒轉均未超過額定轉速。

從以上分析可以得出，該泵站系統在事故停機泵后液控閥門拒動時（即泵后閥門不動作，常開狀態），存在嚴重的水泵倒轉現象，會危害系統的安全運行，因此必須采取必要措施避免閥門拒動。

2.3.2 事故停機緩閉蝶閥線性關閉規律分析

泵后蝶閥線性關閉規律是指：泵站發生事故停機時，泵后緩閉蝶閥立即執行線性均勻關閉，直至蝶閥完全關閉為止。對水泵事故停機時泵后液控緩閉蝶閥線性關閉按關閉時間長短進行計算，進而分析事故停機時泵后蝶閥線性關閉對事故停機的影響。

該工程管線距離較長，泵后蝶閥為DN1600.管徑較大，因此根據時間間隔25—50 s分析計算10種液控蝶閥線性關閉規律，計算工況及結果見表1。

表1、圖6中事故停機泵后緩閉蝶閥間隔時間線性關閉時，系統最大壓力呈周期性波動，波動周期約250 s：與事故停機閥門拒動工況相比系統最大壓力明顯增大，無論關閉時間長短，系統正壓普遍增大1.5。2.0倍.遠遠超出安全允許范圍。但是線性關閉對于系統負壓的影響很小，管路系統最小負壓幾乎無明顯變化。

圖7中，線性關閉150 s左右開始出現倒轉，而且隨著關閉時間的延長，倒轉轉速、倒轉持續時間與線性關閉總時間成正比。可見泵后緩閉蝶閥線性關閉時，關閉總時長是影響水泵倒轉的關鍵因素。

2.3.3 事故停機緩閉蝶閥兩階段關閉規律分析

所謂泵后蝶閥兩階段關閉規律是指：泵站發生事故停機時，泵后緩閉蝶閥立即執行快關緩閉，即大角度快關，小角度慢關，直至蝶閥完全關閉為止。對水泵事故停機時泵后液控緩閉蝶閥按快關緩閉時間長短進行計算，可以分析事故停機時泵后蝶閥兩階段關閉對事故停機的影響。

該工程管線距離較長，管徑較大，因此根據時間間隔快關緩閉25～50 s分析計算10種液控蝶閥線性兩階段關閉規律，計算工況及結果見表2，表2中所列大角度快關角度為80°，小角度慢關角度為10°（其余關閉角度工況太多，這里不一一列舉）。

表2、圖8中事故停機泵后緩閉蝶閥兩階段關閉時，系統最大壓力降低明顯，在兩階段關閉總時長250 s前后達到最小值。圖9中兩階段關閉時水泵在150 s左右開始出現倒轉，而且倒轉轉速隨著兩階段關閉總時長的增長而增大，但與線性規律相比，倒轉轉速明顯降低，遠遠低于水泵的額定轉速。

最終經多種緩閉蝶閥關閉規律計算模擬及分析，泵后緩閉蝶閥快關100 s、慢關150 s兩階段關閉規律可以完全滿足系統安全運行要求，此時系統最大壓力水頭為70.2 m.水泵最大反轉速遠遠低于規范限定值。

3 結論

針對北京市某重點水利工程，對長距離輸水工程泵站及管路系統事故停泵水錘及泵后液控緩閉蝶閥關閉規律進行了數值模擬計算，得出以下結論。

（1）泵后蝶閥拒動會造成嚴重的水泵倒轉現象，事故停泵時蝶閥建議采用液壓驅動方式，避免與水泵同時事故斷電，以防止蝶閥拒動現象發生。

（2）泵后蝶閥線性關閉時，水泵倒轉及持續時間與關閉時間的長短成正比關系，關閉時間越長對水泵倒轉影響越大。蝶閥線性關閉會使系統最大壓力整體提升1.5～ 2.0倍，可見緩閉蝶閥線性關閉規律不能滿足壓力供水系統事故停機安全運行要求。

（3）合理的泵后緩閉蝶閥兩階段關閉規律可以明顯改善并優化壓力供水系統最大壓力及水泵倒轉等指標，對于事故停機泵站系統的安全運行起著關鍵作用。

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