長距離輸水管道水力過渡分析及水錘防護措施研究

2019-09-26 08:57:22廖功磊鐘林濤蔣輝霞

中國農村水利水電 2019年9期

廖功磊，鐘林濤，蔣輝霞，余欣

(1.四川省機械研究設計院，成都 610063；2.四川省農業工程學會，成都 610063;3.四川省農業機械研究設計院，成都 610063)

0 引言

水電站與泵站在水力機組過渡過程下，將引起系統內水壓力、轉速等一些參數的異常升高，從而發生輸水管道破裂和機組部件破壞等嚴重安全事故。在泵站中，水泵由于突發性斷電事故而突然甩負荷，如果泵站中沒有設置液控緩閉蝶閥，輸水管內水大量倒灌至進水池將引起機組長時間倒轉而燒壞電機，嚴重時將淹沒泵房；如果液控緩閉蝶閥關閥過程過快，將導致較大的彌合水錘發生。因此，研究泵站水力過渡過程下水壓力和轉速等變化規律，對提出合理的關閥規律、是否增設調壓設備等措施起到至關重要的作用[1-3]。

多水泵并聯的長距離輸水管道工程具有輸水管線長、流量大、管道沿線起伏大、設計揚程高等特點，加之水泵機組數量較多，由事故停電而引起的水力過渡過程較為復雜。從技術經濟角度出發，提出合理的水錘防護手段對保障泵站安全、減少泵站建造成本都具有重要意義。在長距離輸水管道系統中，常用的水錘防護手段包括增大水泵轉動慣量、合理設置關閥規律、安裝空氣閥與單向調壓塔等。如張毅鵬等[4]研究了5臺水泵并聯的6 km輸水管道停泵水錘，發現合理設置關閥規律與安裝空氣閥和單向調壓塔能明顯降低停泵水錘造成的危害；王玲等[5]通過研究壓力波動預止閥的關閉特性，發現具有減速關閉特性的預止閥更有利于水錘的防護。由于不同泵站基本條件的差異性，采取何種防護措施需對其進行詳盡的計算，本文結合工程實例，對斷電事故下3臺水泵并聯的17.60 km長距離輸水管道進行水力過渡過程分析與計算，并提出相應的水錘防護措施。

1 工程概況

四川某水廠清水輸水管線從凈水廠至加壓泵站線路總長度約17.60 km，輸水管材為DN1400的Q235A焊接鋼管，設計壓力1.0 MPa。凈水廠內安置4臺同型號單級雙吸清水離心泵(3用1備)，單臺水泵設計流量為1 945 m3/h，其具體參數如表1所示。凈水廠內3臺水泵并聯運行，輸水管為單管布置，系統設計流量為5 835 m3/h，其輸水管線沿地形布置情況如圖1所示。該水廠泵出口設置液控蝶閥，管道沿線高處均設置有復合式雙口排氣閥，排氣閥布置原則為每500 m設置一個。

表1 水泵技術參數表Tab.1 Pump parameters

圖1 輸水系統管道縱剖圖Fig.1 Profile of pipe

2 水力過渡過程計算模型

2.1 水泵全特性曲線

一般的，含水泵機組的長距離輸水管道系統進行水力過渡過程進行數值計算時，需要設置水泵的邊界條件，為了表示水泵在各種運行工況的特性，引入WH～x、WB～x坐標的水泵全特性曲線[6]。由于從制造者那里得不到泵的全特性資料，只能通過已知比轉速泵的數據引申，文獻[7-9]給出了水泵全特效曲線換算方法。已知國際單位比轉速ns公式為：

(1)

式中：轉速n的單位為r/min，揚程H的單位為m，流量Q的單位為m3/s(雙吸泵在計算比轉速時，流量需除以2)。得到該水廠3臺單級雙吸離心泵比轉速為ns=26，由文獻8得到該型號水泵Suter曲線如圖2所示。

圖2 ns=26泵全特性曲線Fig.2 The complete characteristic curve of ns=26

相應的，由Thorley[10]給出的經驗公式計算得到該水廠3臺水泵葉輪慣量Ip=12.59 kg·m2、電機慣量Im=31.8 kg·m2。

2.2 水錘波速

水錘波速采用不可壓縮薄壁彈性管水擊波速計算公式[8]，并假設整個管線錨定而不能縱向位移，其計算公式為：

(2)

式中：ψ為無量綱參數，取決于管道的彈性特征；E為管壁楊氏彈性模量；K為液體的體彈性模量；ρ為液體密度；v為泊松比。其中，無量綱參數ψ通過以下公式確定：

(3)

式中：D為管道直徑；e為管壁厚度，計算求得輸水管道內水錘波速為1 012.04 m/s。

2.3 邊界條件及計算方法

管道系統非恒定流水錘方程采用特征線法進行求解，水泵邊界條件由水泵的水頭平衡方程及慣性方程組成，進出水池、管道并聯節點等邊界條件采用相鄰管端的正、負特征方程和邊界點的水力特性方程聯立求解，相應的建立液控蝶閥、單向調壓塔和排氣閥的邊界條件。

3 結果與討論

3.1 無防護措施

假設工程未增設任何防護措施，當發生事故停泵時泵出口蝶閥未能及時關閉，對工程進行水力過渡過程計算，計算時間為300 s。圖3為無防護措施下事故停泵的無量綱轉速、流量、揚程隨時間變化曲線，從圖3中可以看出，水泵在16.89 s后進入水輪機工況，葉輪倒轉，最高倒轉速度為額定轉速的1.4倍，超過《泵站設計規范》中規定的離心泵最高倒轉速度不超過額定轉速1.2倍的要求。水泵在10.69 s后開始倒流，最大倒泄流量為額定流量的0.8倍；最大揚程為額定揚程的1.64倍，超過規范規定的1.5倍。由圖4可以看出，事故停泵后，泵出口閥門發生液柱分離再彌合現象，最大空腔體積為45 m3，水錘壓力為0.76 MPa(約78m水柱高度)。可見，在無水錘防護裝置下，管道內不僅出現液柱分離現象產生較大水錘，而且管道內水大量倒灌至進水池引起水泵倒轉，嚴重時將燒壞電機；因此，該水廠必須采取相應的防護措施。

圖3 事故停泵水力過渡計算結果Fig.3 Results of hydraulic Transient Process of pump-stopping

圖4 事故停泵閥門出口空腔與壓力對比Fig.4 Pressure and cavity volume comparison of pump-stopping

3.2 二階段關閉蝶閥與空氣閥聯合防護措施

大量實驗與研究顯示[1,5]，合理布置空氣閥與設置閥門關閉規律能有效降低水錘壓力。輸水管路沿線設置空氣閥，同時，擬在泵出口設置4種不同關閉規律的液控蝶閥，4種方案均采用二階段線性關閉；其閥門不同關閉規律下最大水錘壓力結果如表2所示。可以看出，不同關閥規律下，輸水管道內依然存在較大的水錘壓力，但由于空氣閥的存在，最小水錘壓力大于氣化壓力。

事故停泵出口蝶閥10 s快關70度與90 s慢關20度二階段關閥水力過渡過程計算結果如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，泵出口蝶閥關閉后，閥門出口壓力迅速下降，最低壓力為8.43 kPa，略高于常溫下水氣化壓力2.062 kPa；隨后壓力迅速增加，最大水錘壓力為1.36 MPa，大于輸水管道的設計壓力。

表2 不同關閥規律水力過渡計算結果Tab.2 Results of hydraulic transient process of different method for closing-valve

在二階段關閉蝶閥與空氣閥措施下，管線最大水錘壓力出現在樁號J39，距凈水廠4 216.24 m處，其壓力隨時間分布曲線如圖5(b)所示。100 s液控蝶閥徹底關閉后，管道內產生了較大的水錘，水錘壓力為1.59 MPa，大于管道設計壓力1.0 MPa。相對于事故停泵無防護措施下泵出口產生空腔，空氣閥一定程度上能防止管道內壓力降低到氣化壓力以下，但仍然無法降低最大水錘壓力。而不同關閥規律能一定程度上降低最大水錘壓力，但改善效果有限，這是因為該工程具有較長的輸水系統，且沿線起伏大；關閥后，大量空氣進入管道內形成更為復雜的氣液兩相流。因此，該工程應采取其他防護措施。

圖5 10 s/70°，90 s/20°關閥水力過渡計算結果Fig.5 Results of hydraulic Transient Process of closing valves for 10 s/70°,90 s/20°

3.3 單向調壓塔防護措施

在二階段關閉蝶閥與空氣閥防護措施基礎上，于壓力輸水管道J3節點距泵房300 m第一個拐點處設置單向調壓塔一座，調壓塔直徑為4 m，高5.5 m。單向調壓塔距地面高度約2 m，單向調壓與壓力輸水管道間通過DN300鋼管連接，連接處設置止回閥，防止管道內水涌入單向調壓塔內。事故停泵后其泵閥門壓力隨時間分布如圖6所示，可以看出，設置單向調壓塔之后，泵出口閥門處壓力在0.1～0.7 MPa之間波動，最大壓力小于管道設計壓力；最小壓力遠大于常溫下水氣化壓力，即設置單向調壓塔之后，在事故停泵后，泵出口蝶閥關閉，管道內不再發生液柱分離再彌合現象。從圖7可以看出，事故停泵發生之后，調壓塔內水位迅速下降向管道內補水，總補水量61.64 m3。通過與圖5與圖6進行對比可知，事故停泵后單向調壓塔通過向管道內補水，避免了事故停泵時彌合水錘的產生；相對于設置空氣閥下，單向調壓塔在降低水錘壓力的效果更加明顯。因此，該工程增設單向調壓塔能有效避免停泵水錘對輸水管路系統造成破壞。