張顯羽，潘文祥，李高會(huì)

(1．國(guó)網(wǎng)新源福建廈門抽水蓄能有限公司，福建■廈門■361000； 2．中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江■杭州■311122)

0　引　言

壓力管道中因流速劇烈變化導(dǎo)致壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象[1]，而對(duì)于大流量長(zhǎng)距離泵站供水工程，水泵失電還可能會(huì)使管線中某些部位的壓力降至蒸汽壓力以下，產(chǎn)生水柱分離及彌合水錘現(xiàn)象[2_3]；根據(jù)美國(guó)德爾福特試驗(yàn)室對(duì)彌合水錘的計(jì)算結(jié)果來看，彌合水錘產(chǎn)生的壓力是正常工作壓力的7倍[4]。為此，往往采用空氣閥、空氣罐或者調(diào)壓塔等水錘防護(hù)措施防止水柱分離[5_7]?？諝忾y、空氣罐以及調(diào)壓塔在常規(guī)長(zhǎng)距離輸水工程中對(duì)水錘防護(hù)效果已做了一定研究[8_10]，特別是對(duì)高水頭、小流量的長(zhǎng)距離供水工程的研究已較充分[11_12]；但對(duì)于低揚(yáng)程、大流量的泵站供水工程，由于流量較大，水泵失電采用何種經(jīng)濟(jì)合理的水錘防護(hù)措施則研究較少。為此，本文依托某低揚(yáng)程、大流量的供水工程進(jìn)行多種水錘防護(hù)方案計(jì)算分析，擬定合理的水錘防護(hù)措施。

1　工程概況

某工程輸水線路設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，由取水泵站、輸水管道、輸水隧洞及進(jìn)/出口組成，輸水線路總長(zhǎng)約為8.8 km，僅在出口布置一小段隧洞進(jìn)入水庫(kù)，其中輸水管道DN2000雙管，長(zhǎng)度8.15 km；DN2600單管，長(zhǎng)度0.5 km；隧洞內(nèi)設(shè)置鋼襯，管徑2.6 m，長(zhǎng)度170 m。取水點(diǎn)水位4.5 m，出口水庫(kù)死水位20.82 m，正常蓄水位29.14 m。泵房共設(shè)置5臺(tái)水泵機(jī)組，4用1備，額定轉(zhuǎn)速485 r/min，設(shè)計(jì)揚(yáng)程30.0 m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量66.2(泵組)+1 850(電機(jī))kg.m2。

2　計(jì)算方法

選取4臺(tái)泵全部失電為計(jì)算工況，采用華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司自主開發(fā)的長(zhǎng)距離有壓供水系統(tǒng)水錘防護(hù)計(jì)算軟件HysimCity進(jìn)行計(jì)算；該軟件采用結(jié)構(gòu)矩陣法為基準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行編程，并且已在多座供水工程中進(jìn)行了應(yīng)用。

計(jì)算模型如下所示(見圖1)，首先在無防護(hù)措施下進(jìn)行水泵失電計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下所示(見圖2)。

從圖2可以看出，4臺(tái)泵全部失電后管線最大壓降達(dá)到38.04 m，最大負(fù)壓為-6.87 m，可能導(dǎo)致液體局部汽化，進(jìn)而產(chǎn)生水柱分離及彌合現(xiàn)象，發(fā)生較大水錘壓力；從而導(dǎo)致管道破壞，因此需采用水錘防護(hù)措施保證供水管線的安全。

圖1　計(jì)算模型(未設(shè)水錘防護(hù)措施)

圖2抽水?dāng)嚯姾笱鼐€壓力變化(無水錘防護(hù)措施)

3　結(jié)果與分析

3.1　設(shè)置空氣罐方案

空氣罐是水錘防護(hù)措施之一，是一個(gè)上部為壓縮空氣、下部為水的壓力容器(類似于水電站采用的氣墊式調(diào)壓室)。一旦發(fā)生事故停泵，空氣罐中高壓氣體快速膨脹，向管道中補(bǔ)水以減少負(fù)壓，防止產(chǎn)生水柱分離。當(dāng)管道中壓力上升，出水管中的高壓使水流入空氣罐中，使罐內(nèi)空氣壓縮，從而減小管道中的壓力上升?？諝夤薰ぷ骺煽浚N防護(hù)效果好；但對(duì)于低揚(yáng)程、大流量的供水工程，水泵抽水?dāng)嚯姇r(shí)，由于管線引用流量較大，空氣罐補(bǔ)給管線水量較大，因而所需空氣罐容積較大。

經(jīng)試算，為滿足輸水系統(tǒng)任何部位瞬態(tài)過程最小壓力值不小于-5 m[13]的設(shè)計(jì)要求,計(jì)算結(jié)果如下所示(見圖3～圖5)；空氣罐斷面積需達(dá)到150 m2，高度12 m，底部高程3.0 m，頂部高程15.0 m，阻抗孔直徑取1.38 m?？紤]到如此大的空氣罐工程制造難度及造價(jià)，可以認(rèn)為空氣罐方案并不適合低水頭、大流量供水工程。

圖3　抽水?dāng)嚯姾笱鼐€壓力變化(空氣罐方案)

圖4　空氣罐壓力變化過程線

圖5進(jìn)出空氣罐流量變化過程線

3.2　設(shè)置空氣閥+雙向調(diào)壓塔方案

在泵站輸水系統(tǒng)中，通常將空氣閥設(shè)置在管道局部凸起位置，當(dāng)管道充水及產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，通過空氣閥排氣和進(jìn)氣來維持管道內(nèi)壓力穩(wěn)定，避免水流中斷。充水過程中的排氣以及事故情況下的水錘防護(hù)的雙重功能使得空氣閥在供水工程中被廣泛應(yīng)用。雙向調(diào)壓塔是一個(gè)接到輸水管路上的開敞式水塔，管道中壓力降低時(shí)，調(diào)壓塔迅速給管道補(bǔ)水，以防止或減小負(fù)壓，避免出現(xiàn)水柱分離；水錘壓力上升時(shí)管道中的水倒流入調(diào)壓塔，可以減小水錘壓力。根據(jù)地形條件，在管線高程最高點(diǎn)布置雙向調(diào)壓塔，經(jīng)試算，該供水工程單根管線在各凸起處共設(shè)置6個(gè)空氣閥以及最高點(diǎn)處設(shè)置面積為50 m2、高度15 m的雙向調(diào)壓塔才能滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如下所示(見圖6～圖8)。

圖6　抽水?dāng)嚯姾笱鼐€壓力變化(空氣閥+雙向調(diào)壓塔方案)

圖7　調(diào)壓塔水位變化過程線

圖8進(jìn)出調(diào)壓塔流量變化過程線

從圖6可以看出，抽水?dāng)嚯姇r(shí)，沿線最小壓力值為-4.85 m，最大壓力值為40.61 m，基本滿足設(shè)計(jì)要求；但調(diào)壓塔尺寸較大，工程造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用較高，故對(duì)于大流量供水管線，由于所需的調(diào)壓塔塔容和塔高較大，調(diào)壓塔水錘防護(hù)方案亦非理想方案。

3.3　設(shè)置空氣閥方案

空氣閥具有價(jià)格低廉、安裝容易等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)設(shè)備。通過試算，該供水工程單根管線在各凸起處共設(shè)置9個(gè)空氣閥便能滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了對(duì)最大水錘壓力值進(jìn)行控制，對(duì)泵后閥門關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，最終確定采用先快后慢兩段折線關(guān)閉規(guī)律，即采用10 s關(guān)閉至20%，然后用50 s關(guān)閉剩余開度。4臺(tái)泵全部抽水?dāng)嚯姇r(shí)，沿線最小壓力值為-4.9 m，最大壓力值為41.38 m，計(jì)算結(jié)果如下所示(見圖9～圖11)。該方案能夠滿足運(yùn)行調(diào)度控制要求，且較為經(jīng)濟(jì)。

圖9　抽水?dāng)嚯姾笱鼐€壓力變化(空氣閥方案)

圖10　泵后閥門開度變化規(guī)律

圖11泵后壓力變化過程線(空氣閥方案)

4　結(jié)　語(yǔ)

通過對(duì)某供水系統(tǒng)在設(shè)置不同水錘防護(hù)措施時(shí)事故停泵水力過渡過程仿真計(jì)算分析，對(duì)比了3種常用的水錘防護(hù)措施在低揚(yáng)程、大流量供水工程中的防護(hù)效果。通過理論分析和數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用空氣閥以及優(yōu)化泵后閥門關(guān)閉規(guī)律作為水錘防護(hù)措施能夠取得較好的水錘防護(hù)效果，且安裝容易、造價(jià)較低，是良好的防護(hù)方案。本文亦可為類似供水工程提供參考。

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