深汕合作區海豐取水泵站水力過渡過程計算分析

王朝昊

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510610）

我國水資源的分布不均衡,經常會出現部分區域無水可用的現象,嚴重影響了人民正常生產和生活。為解決這一問題,人們通常會布置引水管道進行長距離輸水,但往往由于地勢起伏的原因,僅依靠水自流是無法達到預期效果的,因此需設置取水泵站對管道內水流進行加壓,但由于管路距離較長,常常會出現水錘現象,為保證輸水管網的安全性,需進行水力過渡過程計算分析,以消除水錘帶來的不良影響[1]。

本文以深汕特別合作區拓展區供水（Ⅰ）期水陂及配套供水工程為研究背景,針對泵址至最高點的輸水管線進行水力過渡過程計算分析,進而提出合理的調壓措施,以保證輸水管網穩定運行。

1 工程概況

本泵站全系統主要由進出水池、泵組、引水鋼管等組成,進水管布置是先有一根總管引至廠房內,然后再分管接至各個泵組。總管長約5 m,管徑1.1 m；出口支管長度約為5 m,管徑0.9 m；泵站至最高點的管線總長約6.72 km, 管徑為2.2 m。泵站配套3 臺（2 主1 備）臥式單級雙吸離心泵,水泵揚程范圍為39.6 m～75.9 m,水泵額定轉速為980 r/min,泵組轉動慣量為424 kg·m2。

2 水力過渡過程計算原理及數值模型

2.1 有壓管道恒定流數值模型

本取水泵站輸水管道材質為鑄鐵管,輸水方式為泵站加壓。本文采用伯努利能量方程進行計算[2],公式為：

式中：Z1=1854 m（進水池水位）；Z2=1895 m（出水池水位）；P1、P2均為大氣壓強,即105Pa；v=0.4 m/s（流速）；hw經初步估算,約為7 m（水力損失）。

2.2 水錘計算特征相容方程

水流運行狀態基本計算方程為：

式中：H 為揚程,68 m；Q 為流量,5500 m3/h；D 為管徑,2.2 m；A 為面積,3.8 m2；t 為時間；a 為波速；f 為摩擦系數,0.5；β約等于37°。

2.3 水泵節點控制方程

對水泵全特性曲線作如下轉換處理：

式中：W 為揚程,68 m；a 為水泵轉速 ,980 r/min；k1、k2為安全系數,取1.1、0.5：β為水力力矩；y 為導葉開度,+10°。

本文針對海豐取水泵站,基于流體力學瞬變流理論,分別建立了有壓恒定流、水泵、水錘計算特征、水泵等控制方程,確立了水力計算邊界條件,并采用AFT 計算軟件模擬出該取水泵站全系統計算模型[3]。

3 無防護措施下水力過渡計算分析

3.1 計算工況選擇

海豐取水泵站輸水線路在實際運行中有多種運行工況,其中對管網運行穩定最具危害的為泵組忽然斷電且閥門沒有動作的工況,該工況下會帶來管線內部的壓力及流量波動,當壓力峰值超過管線所能承受的極限時,通常會發生爆管現象,對管網穩定運行造成惡劣影響。本文通過對比分析,最大楊程工況下管道壓力值為最大,因此本次選擇最大揚程為計算工況,并對管線進行水力過渡計算分析。最大揚程工況原始計算參數表見表1。

表1 最大揚程水泵事故停機計算參數表

本文按照進出水池、泵組、閥門關閉規律等相應參數來建立計算模型,其中輸水管道模擬按照實際所布置的管中心高程和樁號之間的管長進行設置,以保證與管路實際走向基本一致。因計算模型過長,本次僅展示進水池-泵房的成果,具體見圖1。

圖1 計算模型圖

3.2 二臺主水泵事故停機水力過渡分析

根據以上計算工況選擇分析,本次計算工況為兩臺主水泵同時抽水斷電,閥門拒絕動作。輸水管線中管內壓力分布見圖2；水頭與樁號對應關系見圖3；泵轉速變化情況見圖4。

圖2 管線內水壓力包絡線

圖3 管線測壓管水頭包絡線

圖4 水泵轉速變化曲線

根據以上計算結果,在無調壓措施時,從管線內水壓力包絡線可以看出,輸水管線中最大壓力為103.74 m,樁號位置為4+083,根據規范《泵站設計標準》（GB/T 50265-2022）要求,最大壓力應不超過額定壓力1.5 倍,即112.5 m,經比較,尚未超過所允許的最大壓力；輸水管線中最小壓力為-25.43 m,根據規范要求管線應不出現負壓,因此不滿足相關要求。

從水泵轉速變化曲線可以看出,水泵抽水斷電工況下,因受管道內水回流沖刷葉輪,泵組的反轉轉速達到了額定值的1.2 倍,按照規范要求泵組反轉轉速應不超過1.2 倍,即1176 r/min,因此不滿足相關要求。

綜合以上對管線內水壓力包絡線和水泵轉速變化曲線分析,本工程在無調壓措施時,無法滿足規范要求,因此需采取相應措施,減少和消除因水錘現場造成的增壓和負壓,進而保護管網安全穩定。

4 有防護措施下水力過渡計算分析

在工程的調壓措施中,通常會選擇設置空氣罐和單向塔,但結合海豐取水泵站工程輸水距離較遠,管徑較大且地形起伏多變等特點,若選擇設置空氣罐,則罐體體積大,且安裝運輸很不方便,因此本文選擇沿途擇點設置單向塔進行調壓,原因在于可以不受地形、安裝基礎和規格的影響,可按照實際需求進行設計,提高工程經濟性。

4.1 單向塔布置方案

在輸水管線中設置單向塔的原則為沿程無負壓,在理論分析中,其高度不受限制,且越高對管路的保護距離越長,但高度太高,單向塔一旦出現較大的水錘現象,很有可能會誘發爆管事故,為避免該事故的發生及考慮經濟性,單向塔高度應在10 m 以下。通過對工程的具體理論分析,本工程共需設置兩座單向塔,其位置見表2。

表2 單向塔布置方案

4.2 水力過渡過程計算

本次按照所設單向塔進行參數設置及模型建立,另在水泵出口設置液控蝶閥,采用兩段折線關閉規律：5 s 由全開快速關閉至10%開度,55 s 慢關至0 開度,總關閉時間60 s。計算工況仍為最大揚程下2 臺主水泵并聯運行同時斷電,其中該工況下管內壓力分布見圖5；水頭與樁號對應關系見圖6；泵組出口壓力變化見圖7；水泵轉速變化見圖8；1#和2#單向塔液位變化分別見圖9 和圖10。

圖5 管線內水壓力包絡線

圖6 管線測壓管水頭包絡

圖7 水泵出口壓力變化曲線

圖8 水泵轉速變化曲線

圖9 1#單向塔液位變化過程線

圖10 2#單向塔液位變化過程線

從管線內水壓力包絡線可以看出：管線水擊壓力升高,最大壓力102.63 m,未超過112.5 m,管線最小壓力為0.44 m,管線中沒有出現負壓；從水泵轉速變化曲線可以看出：水泵最大反轉速度為-635.73 r/min,未超過額定轉速1.2 倍,且水泵出口壓力未出現負壓；從單向塔液位變化過程線可以看出：1#單向塔的起始水位為6.0 m,輸水管線平穩運行后水位維持在5.2 m；此時2#單向塔的起始水位為5.2 m,平穩后的水位為2.6 m；綜合以上分析,在設置相應調壓措施后,管線的各項值均滿足規范計算控制值要求。

5 結論

通過對該泵站系統有無保護措施過渡過程初步計算成果分析,該泵站做以下防護措施：當在每臺水泵出口設置1 個兩階段關閉液控蝶閥時,在總管樁號DQ1+309.465 處設置1座直徑2.5 m,水位高度6 m,體積29.45 m3的單向塔；在總管樁號DQ6+264.162 處設置1 座直徑3.5 m,水位高度5.2 m,體積50 m3的單向塔；2 臺機并聯運行時突然掉電后,管線升壓、負壓和水泵倒轉都滿足計算控制值要求。