張毅鵬，劉梅清,2，劉志勇,2，吳遠(yuǎn)為，薛 菲，梅 潔，榮志輝

(1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院, 湖北 武漢 430072；2.流體機(jī)械與動(dòng)力工程裝備技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072)

在長距離輸水系統(tǒng)中，水錘引發(fā)的管道中壓力升高在設(shè)計(jì)階段是一個(gè)重要的因素，在高揚(yáng)程泵站中顯得尤為重要。為了保證輸水管線安全運(yùn)行，在實(shí)際工程中，需要對(duì)輸水管線進(jìn)行詳細(xì)的水錘計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果選擇經(jīng)濟(jì)合理的水錘防護(hù)措施從而保證長距離輸水工程的安全運(yùn)行[1]。調(diào)壓塔在水錘防護(hù)中是公認(rèn)的最佳選擇之一，調(diào)壓塔可以在確保水錘防護(hù)效果的前提下降低自身安裝高度，它與緩沖恒速排氣閥的配合使用效果明顯，水錘升壓平穩(wěn)，可控性較強(qiáng)，可以達(dá)到理想的水錘防護(hù)目的，值得推廣使用[2]。對(duì)于長距離輸水工程而言，綜合采用多種水錘防護(hù)措施往往比單獨(dú)采用一種措施具有更大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)具體情況首先分析水錘類型，再根據(jù)管路特點(diǎn)并結(jié)合各種水錘防護(hù)措施自身的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇既可以很好地預(yù)防水錘發(fā)生又經(jīng)濟(jì)合理的最佳方案，更好更穩(wěn)定地保證管道系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 工程概況

泵站主供水管道管材為BCCP管(管道承壓≥1.0 MPa)，輸水距離為6 457.989 m。泵站供水確定安裝5臺(tái)單級(jí)雙吸中開臥式離心泵，其中設(shè)置4臺(tái)大泵和1臺(tái)小泵，運(yùn)行方式為3臺(tái)大泵+1臺(tái)小泵，備用1臺(tái)大泵；泵站分為2個(gè)泵組，5排出水管道，泵組布置示意圖如圖1，其中：泵組1由2臺(tái)大泵組成，出水管道直徑為DN1400；泵組2由2臺(tái)大泵和1臺(tái)小泵組成，出水管道直徑為DN1 400；由于在供水系統(tǒng)中多以相同型號(hào)的水泵組合工作，不同型號(hào)的水泵組合并不多見，因此以圖1中泵組2兩臺(tái)大泵與一臺(tái)小泵的組合作為本文研究對(duì)象。

圖1 泵組布置示意圖Fig.1 Pump unit layout

根據(jù)泵站的大小泵組合布置方式及泵站供水流量需求，單臺(tái)供水大泵流量為0.92 m3/s，單臺(tái)小泵供水流量為0.46 m3/s，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 水泵技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Pump Parameters

表2 泵站輸水系統(tǒng)特征水位 mTab.2 Water level of pumping station

圖2 泵站輸水系統(tǒng)管線縱剖面圖Fig.2 Profile of pipe

此輸水工程為高揚(yáng)程泵站，輸水管道分布跨度大且多起伏，整個(gè)管道布置有一處明顯的高點(diǎn)，遭遇停泵水錘事故時(shí)極易發(fā)生斷流空腔再彌合水錘，因此，進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算是十分必要的。

2 常見的防護(hù)設(shè)備

空氣閥是主要用于阻止發(fā)生停泵水錘時(shí)因壓力降低產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致水柱分離的特殊閥門，空氣閥一般安裝在輸水管線相對(duì)高點(diǎn)?？諝忾y具有自動(dòng)開啟或關(guān)閉的功能，當(dāng)輸水管道內(nèi)水錘發(fā)生而負(fù)壓出現(xiàn)時(shí)，空氣閥開啟，從而令空氣進(jìn)入管道內(nèi)，避免較低的負(fù)壓產(chǎn)生，發(fā)揮其作用保護(hù)管道系統(tǒng)；而由于溫度或壓力變化使管道內(nèi)水中的空氣釋放出來時(shí)，空氣閥及時(shí)將其排出，防止管道中由于形成氣囊從而影響整個(gè)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3]。在國內(nèi)，輸水管道通常每隔700～800 m 設(shè)置安裝一處空氣閥，而國外，一般每隔500～600 m 設(shè)置安裝一處排氣閥。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)輸水管路水錘防護(hù)計(jì)算結(jié)合縱斷面高程的具體情況確定空氣閥的位置[4]。

單向調(diào)壓塔是防止在輸水管線產(chǎn)生負(fù)壓和減小斷流彌合水錘升壓過高比較經(jīng)濟(jì)可靠的防護(hù)停泵水錘設(shè)備[5]。單向調(diào)壓塔在設(shè)計(jì)時(shí)，要求調(diào)壓塔有足夠的容積，能夠滿足防止主管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓過低引發(fā)的水柱分離所需的補(bǔ)給水量；而且單向調(diào)壓塔的最低水位需要有足夠的壓力，可以給主管補(bǔ)水，最高水位應(yīng)既有足夠的補(bǔ)水量，又保證調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理；補(bǔ)水管在補(bǔ)水過程中靠水體重力能夠保證其補(bǔ)水的速度。在水泵正常工作時(shí)，單向調(diào)壓塔注水管上的止回閥是關(guān)閉的；當(dāng)發(fā)生停泵水錘并產(chǎn)生負(fù)壓低于設(shè)定的安全值時(shí)，其止回閥快速啟動(dòng)，使大量的水迅速流向主管道，進(jìn)而阻止整個(gè)管路系統(tǒng)出現(xiàn)過小負(fù)壓以及發(fā)生水錘壓力多處振蕩危害。

綜上所述，將單向調(diào)壓塔與空氣閥聯(lián)合使用可以將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，單向調(diào)壓塔在消除負(fù)壓的同時(shí)利用空氣閥排出管道的氣體降低彌合水錘發(fā)生的概率；空氣閥在運(yùn)行過程中還可以將管道運(yùn)行時(shí)原有的氣團(tuán)排出，防止出現(xiàn)由于氣囊振蕩產(chǎn)生的正壓力?？諝忾y和調(diào)壓塔均適用于長距離多起伏的輸水工程，很多工程也將這種組合作為防護(hù)方法之一。

3 結(jié)果與分析

3.1 恒定流計(jì)算

表3是當(dāng)設(shè)計(jì)流量2.41 m3/s，2大泵1小泵運(yùn)行，單排DN1400的壓力管道供水；BCCP管糙率取0.012；不同水位下的恒定流計(jì)算結(jié)果，水力坡度線如圖3所示。

表3 泵站輸水系統(tǒng)恒定流計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of steady condition

圖3 泵站輸水系統(tǒng)恒定流水力坡度線及靜水壓力圖Fig.3 Steady hydraulic gradient line

從表3中可以看出，在不同的凈揚(yáng)程下，大泵與小泵的工作點(diǎn)均位于設(shè)計(jì)點(diǎn)的右邊，實(shí)際工作流量大于設(shè)計(jì)流量。隨著運(yùn)行水位的增加，水泵流量增加，揚(yáng)程降低。

從圖3可以看出，在不同凈揚(yáng)程條件下，沿線水力坡度線均位于管道中心線以上，各點(diǎn)均無負(fù)壓出現(xiàn)。管道內(nèi)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1.61 m，沿線壓力值未超過管道的承壓能力。

3.2 無防護(hù)設(shè)施下的停泵水錘

針對(duì)輸水系統(tǒng)在最高凈揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)的停泵水錘進(jìn)行分析，水泵出口管道上都安裝了一個(gè)液控蝶閥，若閥門在事故停泵時(shí)無法及時(shí)關(guān)閉則不能保護(hù)水泵機(jī)組，在此工況下水泵突然斷電時(shí)停泵水錘計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖4中Hmax、Hmin、HGL、Z分別為最大測(cè)壓管水頭、最小測(cè)壓管水頭、初始測(cè)壓管水頭和管中心高程，圖4中h,ν,α,β分別為水泵的無量綱揚(yáng)程、無量綱流量、無量綱轉(zhuǎn)速和無量綱轉(zhuǎn)矩，τ為液控蝶閥的水力開度[6]：

(1)

從圖4(a)、(b)中可以看出，在考慮液柱分離后，大泵在停泵后的12.16 s開始倒流，在停泵后的第19.12 s開始倒轉(zhuǎn)，大泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的1.40倍；最大倒泄流量為額定流量的1.32倍；小泵在停泵后的0.25s開始倒流，在停泵后的第11.58 s開始倒轉(zhuǎn)，小泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的1.42倍；最大倒泄流量為額定流量的1.27倍。兩泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速雖未超過《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”要求，但是，也應(yīng)確保停泵后泵出口閥的可靠關(guān)閉，一方面防止水泵長時(shí)間超速倒轉(zhuǎn)，另一方面防止出水管內(nèi)的水大量倒流回進(jìn)水池，造成水量和能量損失。由圖4(c)可以看出，管道中壓力沿管線低于管線高程，整個(gè)管道有負(fù)壓產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致液柱彌合水錘發(fā)生。由圖4(d)中可以看出，水泵出水母管起點(diǎn)的初始恒定流壓力為90.29 m，由于泵出口閥后發(fā)生液柱分離再彌合，出水母管起點(diǎn)壓力上升到停泵后最大水錘壓力157.63 m，管線中的最大水錘壓力為218.37 m，遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的壓力，不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求；管線大范圍出現(xiàn)汽化(按-8 m考慮，下同)，單個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的最大汽化體積495.13 m3。

圖4 事故停泵過渡過程計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of unsteady condition without any measures

3.3 蝶閥關(guān)閉規(guī)律的敏感性分析

當(dāng)發(fā)生事故停泵導(dǎo)致輸水系統(tǒng)發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)，需要及時(shí)關(guān)閉泵出口的液控蝶閥，通過擬定不同的閥門關(guān)閉規(guī)律，進(jìn)行最高凈揚(yáng)程，2大泵一小泵運(yùn)行同時(shí)停，泵出口閥關(guān)閉條件下的事故停泵水錘計(jì)算，部分結(jié)果如表4所示。

表4 不同泵出口閥關(guān)閉規(guī)律下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of unsteady condition using valve

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，可以看出，通過在水泵出口安裝液控蝶閥，管道內(nèi)最大正壓力有明顯的改變，采用兩階段關(guān)閉規(guī)律后的管道壓力均小于采用線性關(guān)閉后的管道壓力值，管內(nèi)負(fù)壓無明顯變化，均出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，說明采用適當(dāng)?shù)年P(guān)閥規(guī)律可以降低水錘正壓值，但是所有關(guān)閥規(guī)律下的管道正壓力不滿足“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求，同時(shí)管道內(nèi)出現(xiàn)汽化，這會(huì)引發(fā)液柱分離再彌合現(xiàn)象，導(dǎo)致二次水錘，使管內(nèi)壓力進(jìn)一步升高，因此需要在管線中采取其他措施進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

3.4 采用空氣閥的水錘防護(hù)

為了將管線中負(fù)壓過低引發(fā)的液柱分離消除并使最大負(fù)壓盡量控制在-5 m之內(nèi)，同時(shí)有利于系統(tǒng)啟動(dòng)過程中的排氣，按照空氣閥布置的基本要求并通過計(jì)算，擬在管線中布置9處口徑為DN200的空氣閥，其在管線上的安裝位置如圖5所示。

圖5 空氣閥安裝位置示意圖Fig.5 Air valves layout

擬定不同的泵出口關(guān)閉規(guī)律，進(jìn)行最高凈揚(yáng)程，2大泵運(yùn)行同時(shí)停，設(shè)置空氣閥，泵出口閥關(guān)閉條件下的事故停泵水錘計(jì)算，計(jì)算參數(shù)與液控蝶閥防護(hù)方案相同，部分結(jié)果如表5所示。

表5為泵出口蝶閥與空氣閥聯(lián)合防護(hù)下的水錘計(jì)算結(jié)果，可以看出正壓下降明顯，表5中工況6相比于表4中工況6壓力下降了61.14 m，這是由于液柱分離引發(fā)的彌合水錘不再發(fā)生，然而這個(gè)壓力值遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)的壓力；沿線最小壓力水頭為-4.56 m，說明設(shè)置的空氣閥可以降低沿線負(fù)壓，但是由于排氣量有限，在部分計(jì)算工況下仍然出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管道正壓力升高。不同的關(guān)閥規(guī)律對(duì)管道壓力產(chǎn)生明顯影響，兩階段關(guān)閉規(guī)律要優(yōu)于線性關(guān)閉的計(jì)算結(jié)果。但是根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，可以看出，所有關(guān)閥規(guī)律下的最大壓力不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求，因此還需要在管線中采取其他措施進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

表5 不同泵出口閥關(guān)閉規(guī)律下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of unsteady condition using air valves

3.5 空氣閥與單向調(diào)壓塔聯(lián)合使用的水錘防護(hù)

為了降低負(fù)壓，消除事故停泵過程中發(fā)生的液柱分離現(xiàn)象，在增加空氣閥計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要在管線中設(shè)置單向調(diào)壓塔，經(jīng)計(jì)算并進(jìn)行敏感性分析，調(diào)壓塔直徑取3.5 m，塔內(nèi)水深為4.5 m，補(bǔ)水管直徑為0.6 m。單向調(diào)壓塔的位置選取與空氣閥類似，一般設(shè)置在管線中的局部高點(diǎn)處，在整個(gè)管線中只有兩處明顯的高點(diǎn)，樁號(hào)為GX1+548.283和GX5+600，對(duì)不同位置設(shè)置單向調(diào)壓塔的防護(hù)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析。考慮三種組合方案：①只在GX1+548.283設(shè)置；②只在GX5+600設(shè)置；③兩個(gè)位置同時(shí)設(shè)置；計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 三種方案的計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of different position using surge tank

由表6可以看出，三種組合的結(jié)果中，在樁號(hào)GX1+548.283起到了明顯的補(bǔ)水作用，管道中的壓力明顯降低，調(diào)壓塔內(nèi)留有足夠的水位；在樁號(hào)GX5+600處設(shè)置的調(diào)壓塔無效，管線中的正壓與負(fù)壓沒有改善，塔內(nèi)水位沒有發(fā)生變化，這是由于在負(fù)壓波傳播過程中，GX5+600之前的管線上已經(jīng)安裝了空氣閥，空氣閥通過排氣已經(jīng)將管道的負(fù)壓升高，此處的調(diào)壓塔已經(jīng)不能發(fā)揮作用，因此選擇樁號(hào)GX1+548.283為調(diào)壓塔的安裝樁號(hào)。

在空氣閥與單向調(diào)壓塔聯(lián)合使用的情況下擬定不同的泵出口關(guān)閉規(guī)律，進(jìn)行最高凈揚(yáng)程，2大泵1小泵運(yùn)行同時(shí)停，設(shè)單向調(diào)壓塔和空氣閥，泵出口閥關(guān)閉條件下的事故停泵水錘計(jì)算，計(jì)算參數(shù)與空氣閥+液控蝶閥防護(hù)方案相同，部分結(jié)果如表7所示。

表7 不同泵出口閥關(guān)閉規(guī)律下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of unsteady condition using surge tank

從表7中可以看出，增加調(diào)壓塔后管道內(nèi)正壓下降明顯，特別是采用了兩階段關(guān)閥規(guī)律后，表7中工況4相比于表5中工況4最大壓力下降了一倍；全管線負(fù)壓改善明顯，除了線性關(guān)閉規(guī)律，負(fù)壓都保持在-5 m以上，這也說明閥門的關(guān)閉規(guī)律對(duì)管道內(nèi)正負(fù)壓力有明顯的影響；在進(jìn)行選擇時(shí)，兩階段關(guān)閉規(guī)律要優(yōu)于線性關(guān)閉，這是因?yàn)樗迷跀嚯姾蟪跗谌匀惶幱谡D(zhuǎn)，此時(shí)閥門先以一定速度關(guān)閉，對(duì)水流形成阻力，當(dāng)水流開始倒流時(shí)，閥門開始緩慢關(guān)閉，保證管道的壓力和流量逐漸減小。根據(jù)表7的計(jì)算結(jié)果，擬定泵出口閥的關(guān)閉規(guī)律為：大泵6 s/75°，60 s/15°兩階段關(guān)，小泵5 s/75°，45 s/15°兩階段關(guān)閉，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)、(b)中可以看出，大泵在停泵后的9.09 s開始倒流，在停泵后的第15.42 s開始倒轉(zhuǎn)，大泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為其額定轉(zhuǎn)速的0.99倍，最大倒泄流量為額定流量的0.79倍；小泵在停泵后的0.25 s開始倒流，在停泵后的第10.90 s開始倒轉(zhuǎn)；以上參數(shù)均滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”要求。從圖6(d)中可以看出，水泵出口母管的最大水錘壓力為107.24 m，該點(diǎn)的初始恒定流壓力為90.29 m，管線中的最大水錘壓力為107.24 m，滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍”要求；管線中的最大負(fù)壓為-3.16 m，滿足“管線上最小壓力不應(yīng)低于-5 m”的要求。從圖6(e)中可以看出，當(dāng)管道內(nèi)的壓力降至低于單向調(diào)壓塔內(nèi)的水頭時(shí)，水從單向調(diào)壓塔流入管道，在補(bǔ)水過程完成后，單向調(diào)壓塔內(nèi)留有1.34 m深的水體，留有足夠的安全裕量。當(dāng)采取了調(diào)壓塔和空氣閥進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)后，整條管線水錘產(chǎn)生的壓力均控制在管道承受壓力(1.6 MPa)之內(nèi)，對(duì)整個(gè)管線影響較?。怀植客庹麠l管線基本無負(fù)壓，局部負(fù)壓也達(dá)不到汽化壓力，對(duì)管線不構(gòu)成破壞。

圖6 事故停泵過渡過程計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of unsteady condition using surge tank

4 結(jié) 論

本文主要針對(duì)高揚(yáng)程長距離引水工程停泵水錘進(jìn)行了計(jì)算和分析，根據(jù)無防護(hù)停泵水錘計(jì)算結(jié)果選用相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)，最后采用兩階段關(guān)閥規(guī)律與空氣閥、調(diào)壓塔的聯(lián)合水錘防護(hù)措施，能有效減小管線最大水錘壓力，防止管道中發(fā)生液柱分離及再彌合現(xiàn)象，避免汽化壓力出現(xiàn)，減小管道負(fù)壓段范圍，起到了較好的水錘防護(hù)效果，獲得可靠的防護(hù)方案，并獲得以下結(jié)論：

(1)對(duì)于高揚(yáng)程多起伏長距離壓力輸水工程需要設(shè)置水錘防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)生事故停泵單獨(dú)采用一種措施往往達(dá)不到很好的防護(hù)效果，將空氣閥與單向調(diào)壓塔進(jìn)行組合的防護(hù)措施具有明顯防護(hù)效果，可以將管線的壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(2)泵出口閥門的關(guān)閉規(guī)律對(duì)管道內(nèi)壓力的計(jì)算結(jié)果有較大影響，兩階段關(guān)閉規(guī)律的計(jì)算效果要優(yōu)于線性關(guān)閉規(guī)律，通過優(yōu)化閥門關(guān)閉速率，可以進(jìn)一步減小管線最大水錘壓力，最終水泵出口閥的關(guān)閉速率選用兩階段關(guān)閉：大泵6 s快關(guān)75°，60 s慢關(guān)15°；小泵5 s快關(guān)75°，45 s慢關(guān)15°；水泵出口處安裝液控蝶閥可以有效地控制水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及倒流時(shí)間從而保護(hù)水泵。

(3) 將單向調(diào)壓塔裝設(shè)在起伏管道的高點(diǎn)處，可有效提高起伏管道其他高點(diǎn)甚至整個(gè)管道的負(fù)壓及降低停泵水錘帶來的升壓，因此特別適用于長管道的泵系統(tǒng)。通過對(duì)典型工程的計(jì)算分析表明，單向調(diào)壓塔既可以防止負(fù)壓產(chǎn)生液柱分離，也可防止由于分離的水柱彌合而產(chǎn)生的水錘壓力升高；調(diào)壓塔應(yīng)保證在正常工作時(shí)塔內(nèi)水內(nèi)水位不發(fā)生露底。因此調(diào)壓塔是一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的水錘防護(hù)措施。

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