水力過渡過程計算在襄汾縣水源替換工程中的校核應用

張士俊,閆 強,藺彬彬

(1.山西水利職業技術學院,山西 太原 030032;2.太原理工大學建筑設計研究院,山西 太原 030024;3.太原理工大學 水利科學與工程學院,山西 太原030024)

襄汾縣屬山西省地下水超采嚴重、巖溶泉水環境問題較為突出的汾河流域治理范圍。用地表水替代地下水,引入客水,解決襄汾縣地下水開發利用率較高區域的超采問題,向重點發展的工業、農業區域提供可靠的地表水資源,改變當地用水條件,調整產業和種植結構,促進采用高效節水措施,改善當地生態環境是非常有利的。山西省地下水超采區綜合治理襄汾縣水源替換供水工程,是將客水通過工程措施引入工業園區,使引入的地表客水資源合理配置,置換地下水,解決襄汾縣工業園區地下水超采,使地下水超采區逐步實現水資源可持續利用,改善當地生態環境,主要涉及輸水管線(包括自流管線、部分壓力管線)及加壓泵站,解決輸水問題。

文章在水泵工作點理論研究的基礎上,建立簡單管水力過渡過程數學模型、復雜管水力過渡過程數學模型[1],并確定初始條件和邊界條件。本次泵站水力過渡過程計算遇到串聯管和分岔管的問題,采用“等價水管法”“截支法”進行簡化計算[2]。針對方案中的泵站設計,進行泵站穩態運行特性分析、泵站水泵運行無閥防護下的過渡過程分析、泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥關閉時間和角度分析、泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥及進排氣閥聯合防護的模擬計算[3],為整個供水系統安全的自動化提出建議。

1 工程概況

本工程為供水工程,受水區地形高程為 541.95 m,取水口管中心線高程為 438.4 m,富余水頭變幅為 25～29 m,利用富余水頭自流至泵站;泵站地面高程為 458.6 m,供水末端地形高差為 541.95 m,需設置加壓泵站對來水加壓后輸水。泵站共4臺水泵(三工一備),水泵型號為 DFSS300-4N/4A(雙吸泵),管線總長 26 701.3 m,分自流和壓力輸水段的運行情況。工程管材主要采用 2 種,一種為球墨鑄鐵管,主要在自流管段使用,管徑選 DN800,承插連接;另一種為鋼管,主要在壓力輸水管段使用。

2 模型建立

復雜管道水力過渡過程數學模型與單管水力過渡過程數學模型相同,但在計算復雜管道水力過渡過程時管道的管徑、流量、波速等值略有變化。在本次泵站水力過渡過程計算遇到串聯管和分岔管的問題。

串聯管的水力過渡過程簡化計算:(1)等價水管法:是將串聯管轉化為簡單管后應滿足管長、相長和管中水體動能等與原管相同的原則。(2)截支法:將暫不涉及的支管截去,按支管段實際值計算其長度、斷面積、流量、波速。

3 校核過程

3.1 一臺水泵運行穩態及水錘計算分析

3.1.1 泵站穩態運行特性分析

結合設計單位提供的資料,計算在一臺泵工作點流量運行時,其水頭損失、泵站一臺水泵運行穩態計算結果。

3.1.2 泵站水泵運行無閥防護下的過渡過程

從表1中可以看出,閥門拒動作時,管路最大正壓為 102.96 m,接近額定壓力。最大負壓為-10 m,不滿足規范。最大倒轉轉速-1 605 r/min,是額定轉速的 1.08倍,滿足規范要求。綜合考慮:(1)需要進行蝶閥兩階段關閉防護,以防止泵出口無閥門防護或是當閥門拒動作時,倒轉轉速過大對水泵造成的損壞及負壓過大造成的管路安全隱患[4];(2)采取工程措施降低管道布置高程,使正壓滿足要求。

表1 一臺水泵運行時停泵閥門拒動作時水力過渡過程結果

3.1.3 泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥關閉時間和角度

由表2中數據可知,在一臺泵并聯運行采用兩階段蝶閥防護時,采用2.5 s快關75°,20 s慢關15°關閥方式,蝶閥防護時管路最大壓力為 102.93 m,接近額定壓力1倍。最大負壓為-10 m,不滿足規范要求[5]。水泵無倒轉,滿足規范要求。管道最大壓力在泵后15 000～16 200 m 之間仍為負壓,低于管道布置中心線,不滿足要求。因此,必須采取工程措施降低管道高程。

表2 停泵兩階段液控蝶閥優化關閉時水力過渡過程結果

備注:文章所有表中的公式如下:(mH2Omax)正—最大正壓(m);mH2Omax負—最大負壓(m);r/minmax倒—最大倒轉轉速(r/min);r/min(0)—轉速為零時刻(s);Q(0)—流量為零時刻(s);mH2O額定—額定壓力(m);(r/min)額定—額定轉速(r/min)。

3.2 兩臺水泵運行穩態及水錘計算分析

3.2.1 泵站穩態運行特性分析

結合設計單位提供的資料,計算在一臺泵工作點流量運行時,其水頭損失、泵站兩臺水泵運行穩態計算結果。

3.2.2 泵站水泵運行無閥防護下的過渡過程

經計算可知,不同工況下除管路最大負壓不滿足規范要求外,管路最大正壓、水泵最大倒轉轉速均滿足規范要求。因此,根據工程實際布置情況,需要采取兩階段液控蝶閥進行防護,以此來改善水泵最大倒轉轉速及管路最大負壓。

3.2.3 泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥關閉時間和角度

經計算可知,時間、角度分別關閉 2.0～2.4 s、70°～75°和 12～18 s、15°～20°,除管路最大負壓偏大不符合規范要求外,最大正壓、水泵最大倒轉轉速均符合規范要求,在此基礎上考慮增加進排氣閥來改善管路負壓狀態。

3.2.4 泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥及進排氣閥聯合防護的模擬計算

根據蝶閥計算結果,兩臺泵并聯運行時,加34個口徑均為 DN150 的排氣閥。

由表3中數據可知,采用蝶閥加進排氣閥聯合防護下,兩臺泵并聯運行時,管路最大正壓滿足規范要求,水泵沒有發生倒轉,管路整體負壓情況改善。

表3 兩階段聯合防護工況下水力過渡過程結果

3.3 三臺水泵運行穩態及水錘計算分析

3.3.1 泵站穩態運行特性分析

結合設計單位提供的資料,計算在三臺泵工作點流量運行時的水頭損失、泵站三臺水泵運行穩態計算結果。

3.3.2 泵站水泵運行無閥防護下的過渡過程

經計算可知,不同工況下除管路最大負壓不符合規范要求外,最大正壓、水泵最大倒轉轉速均符合規范要求。因此,根據工程實際布置情況,需要采取兩階段液控蝶閥進行防護,以此來改善水泵最大倒轉轉速及管路最大負壓。

3.3.3 泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥關閉時間和角度

由表4可知,時間、角度分別關閉 2.0 s、72°和 15 s、18°,除管路最大負壓偏大不符合規范要求外,最大正壓、水泵最大倒轉轉速均符合規范要求,在此基礎上考慮增加進排氣閥來改善管路負壓狀態。

表4 停泵兩階段液控蝶閥優化關閉時水力過渡過程結果

3.3.4 泵站水泵運行兩階段緩閉蝶閥及進排氣閥聯合防護的模擬計算

根據蝶閥計算結果,三臺泵并聯運行時,加34個口徑均為DN150的排氣閥。

由表5中數據可知,采用蝶閥加進排氣閥聯合防護下,三臺泵并聯運行時,管路最大正壓滿足規范要求,水泵沒有發生倒轉,管路整體負壓情況改善。

表5 兩階段液控蝶閥加進排氣閥聯合防護時水力過渡過程結果

4 結語

(1)本報告基于設計單位提供的設計資料,計算了所有系統運行中可能的工況,總體評價設計單位提出的方案是可行的。

(2)由計算結果看出,無論一臺、二臺及三臺水泵,運行閥門拒動作壓力max、壓力min、倒轉速max均超出規范要求,因此從對管路的安全運行考慮,設計中附加兩階段液控止回蝶閥防護設備是合理的。

(3)由計算結果分析可知,兩階段液控止回蝶閥防護下的壓力管線,明顯改善了其壓力分布狀態,但在實際運行時需要通過與進排氣閥結合,因此設計中提出的這一措施是復合規范的要求的。