多起伏有壓輸水管道水錘防護(hù)措施研究

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

當(dāng)輸水工程中供水系統(tǒng)發(fā)生事故停泵時(shí)，為防止管道內(nèi)水流大量倒流使機(jī)組轉(zhuǎn)速過高或機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間倒轉(zhuǎn)使機(jī)組損壞需關(guān)閉泵出口閥門，但是閥門關(guān)閉過快會(huì)使輸水系統(tǒng)中的水力參數(shù)發(fā)生變化，由此會(huì)產(chǎn)生較大的彌合水錘，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管道爆管，破壞整個(gè)輸水系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，為了確保泵站及輸水系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，需對(duì)輸水工程進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，預(yù)測(cè)輸水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和危險(xiǎn)工況，并提出合理的閥門關(guān)閉規(guī)律以及相應(yīng)的防護(hù)手段[1-3]。

目前，輸水系統(tǒng)中常用的水錘防護(hù)措施有設(shè)置合理閥門關(guān)閉規(guī)律，安裝空氣閥、空氣罐以及調(diào)壓塔等。鄭興興等[4]通過對(duì)2臺(tái)泵并聯(lián)的20 km輸水管道進(jìn)行停泵過渡過程計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，單一的防護(hù)手段不能有效抑制水錘破壞的發(fā)生，空氣閥和單向塔作為供水系統(tǒng)的水錘聯(lián)合防護(hù)措施較為可靠。蘭剛等[5]對(duì)某在建供水工程停泵水錘進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣罐與空氣閥相結(jié)合能有效減輕水錘對(duì)管道的破壞。本文對(duì)抽水?dāng)嚯姽r下某城市輸水管線進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算與分析，并提出合適的防護(hù)手段。

1 工程概況

某城市供水工程供水線路全長(zhǎng)12.183 km，采用1×DN350 mm鑄鐵管，管道線路長(zhǎng)且起伏較大，沿途局部存在高點(diǎn)，管中心線高程在137～212 m，設(shè)計(jì)供水流量501 m3/h。取水泵站加壓泵站，安裝3臺(tái)臥式雙吸離心泵，其中2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。水泵主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，供水線路管中心線高程圖見圖1。

表1 水泵主要技術(shù)參數(shù)

2 水錘防護(hù)措施

空氣閥是一種用于防止水泵抽水?dāng)嚯姽艿纼?nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的特殊閥門，其作用是當(dāng)管道中出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣閥自動(dòng)打開，從外部向管道內(nèi)進(jìn)氣，抑制管道內(nèi)過低負(fù)壓，避免管道遭到破壞；當(dāng)管道內(nèi)壓力過大，空氣閥會(huì)將管道內(nèi)滯留氣體排出，避免滯留氣體危及系統(tǒng)安全[6]。空氣閥的進(jìn)排氣量除了與該位置管道中內(nèi)水壓力相關(guān)外，還受到空氣閥自身孔口面積及泵出口處閥門關(guān)閉規(guī)律等因素的影響。

圖1 供水線路管中心線高程圖

空氣罐的作用是當(dāng)管道中出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣罐中的水體向管道中補(bǔ)水來抑制管線沿線負(fù)壓，并通過空氣罐中的高壓氣體抑制水體倒流而產(chǎn)生的高壓。空氣罐通常設(shè)置在水泵出口附近的管道上，其對(duì)安裝場(chǎng)地和安裝高程沒有特殊要求，只要可以保證空氣罐容積足夠大并且罐內(nèi)部壓力能夠作用到需要保護(hù)的范圍，就能將防護(hù)范圍擴(kuò)大到整條供水管線。

綜合上述，結(jié)合兩種水錘防護(hù)措施的優(yōu)點(diǎn)，可選用空氣罐和空氣閥聯(lián)合防護(hù)的方式，空氣罐在消除管道過大正壓與負(fù)壓時(shí)空氣閥作為輔助措施，可以更有效地避免管線水錘危害的產(chǎn)生；空氣罐的使用也大大減少了空氣閥的數(shù)量。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 穩(wěn)態(tài)工況恒定流計(jì)算

為詳細(xì)分析供水線路的過流能力和管線工作壓力，針對(duì)設(shè)計(jì)雙機(jī)運(yùn)行工況，分別開展最大揚(yáng)程、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、最小揚(yáng)程共3個(gè)典型工況的恒定流計(jì)算分析。通過對(duì)供水線路開展恒定流計(jì)算，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程、最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程下，該供水線路均能通過設(shè)計(jì)流量1 278 m3/h，管線無負(fù)壓出現(xiàn)，滿足運(yùn)行要求。

3.2 無調(diào)壓措施閥門拒動(dòng)

本工程供水線路針對(duì)設(shè)計(jì)雙機(jī)運(yùn)行情況，選取最大揚(yáng)程工況作為控制工況，開展水泵事故停機(jī)水力過渡過程計(jì)算分析，使輸水管線沿線負(fù)壓不超過-4m。根據(jù)供水線路供水系統(tǒng)圖和線路布置圖，現(xiàn)狀管線沿線樁號(hào)0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000處共設(shè)有6個(gè)DN80 mm的空氣閥，針對(duì)最大揚(yáng)程工況開展水力過渡過程計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 事故停泵過渡過程計(jì)算結(jié)果

在該工況下，泵后產(chǎn)生了143 m的壓力下降，該壓力波的傳播導(dǎo)致輸水管道線路多段管線出現(xiàn)較嚴(yán)重負(fù)壓，壓力最小值出現(xiàn)在樁號(hào)8+210處，為-36.03 m，不滿足規(guī)范要求。由于泵后閥門拒動(dòng)，水泵抽水?dāng)嚯姾蠊艿纼?nèi)水流倒流，水泵發(fā)生反轉(zhuǎn)，最大反轉(zhuǎn)速為-2 785.7 r/min，在規(guī)范的允許范圍內(nèi)。沿線樁號(hào)0+900、4+300、5+000、8+400、9+000、10+000處空氣閥進(jìn)氣，樁號(hào)8+400處空氣閥進(jìn)氣量最大。為了消除管線存在的負(fù)壓，達(dá)到保護(hù)輸水管線安全目的，需要增設(shè)合適的平壓防護(hù)措施。

3.3 空氣罐與空氣閥聯(lián)合防護(hù)

由于管線起伏大，若單獨(dú)使用空氣閥作為水錘防護(hù)措施，通過計(jì)算需要空氣閥的數(shù)量較多，且防護(hù)效果不理想，因此采用空氣罐與空氣閥聯(lián)合防護(hù)。通過理論分析并優(yōu)化，在線路原有空氣閥的基礎(chǔ)上，設(shè)置2個(gè)空氣罐，空氣罐設(shè)置位置分別在泵出口和樁號(hào)11+000處。經(jīng)大量的面積與高度比選擇計(jì)算后，關(guān)閥時(shí)間以10 s關(guān)閉泵后閥門為宜，選取方案如表2，其水力計(jì)算具體結(jié)果如圖3所示。

表2 空氣罐體型參數(shù)表

圖3 事故停泵過渡過程計(jì)算結(jié)果

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T 50263-97)，事故停泵過程中，泵后壓力允許上升值為水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不能超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，且持續(xù)時(shí)間不能超過120 s，從計(jì)算結(jié)果得出，沿線最大內(nèi)水壓力出現(xiàn)在樁號(hào)泵出口處，為148.07 m，最大反轉(zhuǎn)速為-2 900.16 r/min，沿線最小內(nèi)水壓力出現(xiàn)在樁號(hào)12+200處，為-3.99 m，不超過-4 m，且空氣罐水位安全運(yùn)行范圍內(nèi)，滿足管線運(yùn)行要求。故在輸水管線中采用空氣罐與空氣閥聯(lián)合防護(hù)的方式是安全可靠的。

4 結(jié)語

本城市供水項(xiàng)目屬長(zhǎng)距離、小流量、加壓與重力流并存的有壓供水系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，運(yùn)行工況十分復(fù)雜，尤其是在水泵抽水?dāng)嚯姟⒏鞣N運(yùn)行工況之間進(jìn)行切換時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)輸水系統(tǒng)發(fā)生水力過渡過程現(xiàn)象，進(jìn)行輸水系統(tǒng)過渡過程計(jì)算并對(duì)線路停泵水錘防護(hù)方案比選分析得到如下結(jié)論。

1)無調(diào)壓措施閥門拒動(dòng)工況下，事故停泵時(shí)水泵發(fā)生倒轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速符合規(guī)范要求，但供水線路出現(xiàn)大面積負(fù)壓，因此本城市供水項(xiàng)目的輸水系統(tǒng)必須設(shè)置穩(wěn)壓措施，才能保證在泵站抽水?dāng)嚯姇r(shí)，該系統(tǒng)的供水安全。

2)單一的防護(hù)措施不能有效消除負(fù)壓對(duì)輸水管線運(yùn)行安全的影響。在泵出口閥門選擇合適的關(guān)閉規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用空氣罐和空氣閥聯(lián)合防護(hù)，及時(shí)阻斷管道水流倒流，避免水泵發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)間反轉(zhuǎn)，管道沿程壓力均控制在管道設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)，有效地保證了管道安全，推薦使用該方案。