陳志堅(jiān)

(深圳市龍崗區(qū)龍口水庫(kù)管理處，廣東深圳518172)

龍口水庫(kù)抽水站位于深圳市龍崗區(qū)橫崗鎮(zhèn)排榜村，距離龍口水庫(kù)管理處辦公樓約4 km，取水口位于東深供水隧洞一號(hào)支洞。抽水站現(xiàn)裝有臥式32SA－10C型水泵機(jī)組3臺(tái)，單機(jī)容量1 250 kW，正常運(yùn)行為兩用一備，設(shè)計(jì)提水流量為2.50 m3/s，正常運(yùn)行日提水量21萬m3。龍口水庫(kù)屬小(1)型水庫(kù)，總庫(kù)容994萬m3，主要水利樞紐由抽水站、南庫(kù)、北庫(kù)、連通渠、大壩、副壩組成。主要任務(wù)是調(diào)節(jié)東深引水，保證深圳市龍崗區(qū)供水。水庫(kù)流域面積1.93 km2，水庫(kù)轄管面積2.7 km2。泵站裝機(jī)數(shù)為3臺(tái)。水泵揚(yáng)程H0=62 m，Q為7 000 m3/h。改造后最大工況為3臺(tái)投入使用。泵站屬地下式泵房，壓力管全長(zhǎng)為667.05 m。主泵出口段管徑為DN800。由于壓力管道沿途要經(jīng)過公路，大壩設(shè)有虹吸、倒虹吸，排氣管口等故屬于水泵揚(yáng)程大，高程變化大的輸水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中極易發(fā)生水錘。該泵站沒有設(shè)置調(diào)壓井，從泵站安全運(yùn)行及維修角度出發(fā)在泵口出水處設(shè)置了緩閉止回閥，以降低水錘對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壓力，可見緩閉止回閥在整個(gè)泵站安全運(yùn)行中的重要性。而設(shè)置緩閉閥的關(guān)閉時(shí)間也就成為泵站安全運(yùn)行的重中之重。最低水位▼27.55 m高程關(guān)系詳見圖1。

圖1 管線高程變化示意圖

1 水錘計(jì)算

式中:μ為水管特性常數(shù)，μ=аV0/2gH。;v0為閥門全開啟時(shí)管道流流速，m/s;а為介質(zhì)的水錘波速(介質(zhì)為水時(shí)，取а=1 000 m/s);H0為上下游水頭差或水泵揚(yáng)程，kPa;τ0為無量綱閥門開度(τ0為起始開度)。

閥門全開時(shí)，τ=1.0，每臺(tái)水泵流量 Q=7 000 m3/h，揚(yáng)程Hо=607.6 kPa。所以最不利工況為3臺(tái)水泵同時(shí)斷電(改造后3臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行)屆時(shí)管內(nèi)流流速ν0=3.86 m/s。當(dāng)上下游水頭差 H=440.51 kPa，則 μ=4.377，μτ0=4.377＞1.5，屬極限水錘。當(dāng) H0=607.6 kPa(水泵揚(yáng)程)，則 μ=3.173，μτ0=3.173 ＞1.5，屬極限水錘。

水錘計(jì)算公式為:

式中:Hmax為最大水錘壓力，kPa;Hm為最大水錘壓力相對(duì)值。

對(duì)于極限水錘計(jì)算公式為:

式中:σ為水管特性常數(shù)。σ=LV0/gH0Ts;L為管道長(zhǎng)度，L=667.05 m;Ts為閥門關(guān)閉時(shí)間，s。

計(jì)算成果見表1。

表1 水錘計(jì)算表

假設(shè)事故突然停泵，管內(nèi)液體在t=0內(nèi)停止流動(dòng)。管路中的總壓力h按下式計(jì)算。

式中:V1為正常運(yùn)行時(shí)管中水流速度，m/s;V2為閥門關(guān)閉后管中水流流速度，m/s;g為重力加速度;c為管路中的衡擊波傳播速度。彈性薄壁鋼管約以1 000 m/s的速度傳播。

2 鋼管的強(qiáng)度校驗(yàn)

泵出口鋼管選用A3鋼，即:

式中:p為管內(nèi)壓力，取最大值p=4.3MPa;D為管內(nèi)直徑，D=0.8 m;δ為管壁厚度，出口管壁δ=10 mm。

由第三強(qiáng)度公式pD/2δ≤﹝σ﹞得:

第四強(qiáng)度公式pD/2.3δ≤﹝σ﹞得:

而泵出口管壁δ=10mm＞8.6mm

可見第三，第四強(qiáng)度公式計(jì)算證明在最大水錘壓力作用下，泵站出水鋼管可以承受最大直接水擊壓力。

3 設(shè)置緩閉止回閥

龍口泵站采用的HD7s41X－10型緩閉閥的工作原理如下。在進(jìn)口端介質(zhì)作用下，閥瓣自動(dòng)開啟到位，同時(shí)液壓缸內(nèi)活塞上升到最高位置閥門開啟。當(dāng)停泵液壓缸內(nèi)介質(zhì)回流，閥瓣在自重和水壓力下首先迅速關(guān)閉到緩閉角位置，然后再慢關(guān)到全閉位置，以達(dá)到既停止介質(zhì)大量倒流又防止水錘升高的目的。另外可旋轉(zhuǎn)緩閉調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間長(zhǎng)短(即可調(diào)節(jié)Ts)，順時(shí)針調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間延長(zhǎng)，逆時(shí)針調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間縮短。

主要性能包括:公稱壓力為1 MPa;介質(zhì)流速為≤5 m/s;緩閉角為30°。

進(jìn)行系統(tǒng)的水錘計(jì)算，目的就是找到合適的關(guān)閉規(guī)律，確定關(guān)閉時(shí)間(Ts)，從而確定水錘對(duì)泵站的振動(dòng)。而關(guān)緩閉止回閥的關(guān)閉時(shí)間從表1中可以看到產(chǎn)生的水錘都在安全壓力值范圍內(nèi)。10 s時(shí)間段產(chǎn)生水水錘較大且不在閥門時(shí)間調(diào)節(jié)范圍內(nèi)故不考慮，在10～60 s時(shí)間段范圍內(nèi)應(yīng)取壓力值相差不大，關(guān)閉時(shí)間又較短的。

4 結(jié)論

1)建議3臺(tái)機(jī)組安裝緩閉閥關(guān)閉時(shí)間確定為10 s＜Ts≤20 s。

2)正常運(yùn)行期間，禁止2臺(tái)以上機(jī)組同時(shí)停機(jī)。

3)另外，關(guān)于止回閥的選擇要注意關(guān)閉規(guī)分律，最好為二段關(guān)閉:第一段在短時(shí)間內(nèi)閥瓣關(guān)到最小開度(本站選用30°)，然后緩閉其余開度。

本站Ts約為14 s，運(yùn)行10 a來一直平穩(wěn)正常。

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