貴州省某高揚程供水工程水錘分析

范小娟，宋培培

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550000)

高揚程供水工程的輸水管線布置受工程地形影響，局部管線存在上凸布置。依據工程經驗，管道極易在凸起點處發生斷流彌合水錘。當供水工程因事故斷電停機、運行人員誤操作等因素，供水工程機組轉速急劇下降、管道壓力急劇增大[1]，若不采取防水錘措施，將影響供水工程運行穩定，嚴重時造成管道破壞、機組損壞等事故[2]。高揚程供水工程，提水揚程較高，輸水管線相對較長，因水力瞬變所引起的水錘將導致工程出現較高的水錘壓力，對工程管道、機組等損害較大，因此應對高揚程供水工程水錘進行分析，并依據計算成果增設相應防護措施[3]。葉知暉[4]通過優化泵站工作閥門關閉規律、增設防護設備等防護措施，保證工程安全運行；龍斌等[5]對高壓供水泵站水錘算法進行研究；薛長青等[6]對長距離有壓管道輸水系統事故停機產生的水錘進行分析，并提出相應防護措施。羅浩等[7]對高落差供水工程中末端閥門關閉規律進行優化分析，研究不同關閥規律下水錘的影響。

1 工程概況

貴州省某高揚程供水工程年提水量4517萬m3，設計流量1.629 m3/s；供水工程設有一座泵站，泵站提水至高位水池后，通過重力流輸水管道自流至末端水廠；供水工程泵站上水管選用DN1300鋼管，重力流輸水管道選用DN1300的球墨鑄鐵管。泵站裝機4×1800 kW(3用1備)，額定揚程240 m，額定流量0.543 m3/s，轉速1.0 Nr，上水管長度1.4 km，水泵效率85%，水泵出口設有DN500的工作閥門，水泵機組技術參數見表1；高揚程供水工程特征水位見表2，工程布置如圖1所示。

表1 水泵機組技術參數表

表2 高揚程供水工程特征水位

圖1 高揚程供水工程布置圖

2 研究方法

2.1 水錘基本方程

非恒定流的運動方程和連續方程如式(1)、式(2)[8-9]：

(1)

(2)

式中：H為管道水頭,m；V為管內流速,m/s；D為管道直徑,m；g為重力加速度,m/s2；a為水錘波傳播速度,m/s；θ為管道中心線與水平面夾角,(°)；x為傳播距離,m；t為傳播時間,s;f為摩阻系數。

2.2 數值計算

特征線法根據常微分方程與偏微分方程邏輯關系[10]，由運動方程、連續方程換算為兩組常微分方程，分別表示正向水錘(C+)、反向水錘(C-)[11]，如式(3)～式(6)所示。

C+:HPi=CP-BQPi

(3)

C-:HPi=CM+BQPi

(4)

CP=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|

(5)

CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|

(6)

式中：B、R為計算常數;CP、CM為綜合參數;Hi-1、Hi+1為斷面i-1、斷面i+1處的水頭，m;Qi-1、Qi+1為斷面i-1、斷面i+1處的流量,m3/s。

3 結果分析

3.1 穩態計算

當泵站提水流量為1.629 m3/s，3臺機組同時運行，不同水位下的穩態計算結果，水力坡度線如圖2所示。

圖2 穩態運行時高揚程供水工程管道壓力

由圖2可知，在不同凈揚程條件下，沿線水力坡度線均位于管道中心線以上，各點均無負壓出現。管道內靜水壓力隨管中心高程增加而逐漸降低，管道末端壓力高于管道軸線1.6 m，沿線壓力值未超過管道的承壓能力。

3.2 暫態計算

3.2.1 事故停機+閥門拒動

泵站設計規范要求，機組最大反轉速需小于1.2倍額定轉速，最大水錘壓力需小于1.5倍額定揚程，輸水系統不應出現水柱斷裂[12]；機組最大反轉速小于1.20 Nr，管道最大水錘升壓值小于1.50 Hr。

由圖3、圖4可知，供水工程3臺工作泵同時停機、閥門拒動，且供水工程沒有增設防水錘設備工況下，機組最大反轉速達1.30 Nr，出現在6 s左右；供水工程最大水錘壓力為1.46 Hr。當供水工程在閥門拒動、沒有增設防水錘設備工況下事故停機時，水錘壓力滿足規范要求，但最大反轉速較高，設備易受到破壞。

圖3 事故停機+閥門拒動時管線水錘變化

圖4 事故停機+閥門拒動時機組轉速變化

3.2.2 事故停機+閥門分段關閉

優化閥門關閉規律，分析不同分段關閉規律下水錘，依據計算結果選擇合適的管材、壁厚、機組壓力等級，以保證整個供水工程安全穩定運行[13]。本工程提水揚程較高，管線相對較長。考慮閥門關閉時間，該供水工程發生的水錘為間接水錘；建議采用分段關閉，通過調整第一段的快關時間，保證機組最大反轉速滿足規范要求，通過延長第二段的慢關時間，降低最大水錘升壓值；快關時間、慢關時間指閥門開度從全開狀態以一定速度關至全關狀態所需時間。

由表3可知，閥門采用分段關閉時，當慢關時間不變，隨快關時間增加則機組最大反轉速增大，最大水錘壓力減小；當快關時間不變，隨慢關時間增加則機組最大反轉速增大，最大水錘壓力減小。

表3 分段關閥規律下水錘計算

依據水錘計算結果，當發生事故停機時閥門關閉規律選擇4 s-0.1-60 s，見圖5、圖6；此時機組最大反轉速為1.17 Nr、閥后最大壓力為1.49 Hr，均滿足要求；管線最大水錘壓力均小于1.50 Hr，管路沿線未出現水柱斷裂。

圖5 閥門4 s-0.1-60 s分段關閉時管線水錘變化

圖6 閥門4 s-0.1-60 s分段關閉時機組轉速變化

4 結 論

(1)供水工程3臺工作泵同時停機、閥門拒動，且供水工程沒有增設防水錘設備工況下，機組最大反轉速達1.30 Nr，供水工程最大水錘壓力為1.46 Hr。機組反轉速超過規范最大反轉速要求，供水工程最大水錘壓力達到1.46 Hr；水錘壓力滿足規范要求，但最大反轉速較高，設備易受到破壞,應避免此類事故發生。

(2)當發生事故停機時閥門關閉規律選擇4 s-0.1-60 s，機組最大反轉速為1.17 Nr、閥后最大壓力為1.49 m，均滿足要求；管線最大水錘壓力均小于1.5 Hr，管路沿線未出現水柱斷裂。

依據水錘計算成果，選取4 s-0.1-60 s關閥規律，機組最大反轉速、最大水錘壓力均滿足規范要求，沿線未出現水柱斷裂。