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        長距離輸水管道水力過渡分析及水錘防護措施研究

        2019-09-26 08:57:22廖功磊鐘林濤蔣輝霞
        中國農(nóng)村水利水電 2019年9期
        關(guān)鍵詞:關(guān)閥輸水管水錘

        廖功磊,鐘林濤,蔣輝霞,余 欣

        (1.四川省機械研究設(shè)計院,成都 610063;2.四川省農(nóng)業(yè)工程學(xué)會,成都 610063;3.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院,成都 610063)

        0 引 言

        水電站與泵站在水力機組過渡過程下,將引起系統(tǒng)內(nèi)水壓力、轉(zhuǎn)速等一些參數(shù)的異常升高,從而發(fā)生輸水管道破裂和機組部件破壞等嚴重安全事故。在泵站中,水泵由于突發(fā)性斷電事故而突然甩負荷,如果泵站中沒有設(shè)置液控緩閉蝶閥,輸水管內(nèi)水大量倒灌至進水池將引起機組長時間倒轉(zhuǎn)而燒壞電機,嚴重時將淹沒泵房;如果液控緩閉蝶閥關(guān)閥過程過快,將導(dǎo)致較大的彌合水錘發(fā)生。因此,研究泵站水力過渡過程下水壓力和轉(zhuǎn)速等變化規(guī)律,對提出合理的關(guān)閥規(guī)律、是否增設(shè)調(diào)壓設(shè)備等措施起到至關(guān)重要的作用[1-3]。

        多水泵并聯(lián)的長距離輸水管道工程具有輸水管線長、流量大、管道沿線起伏大、設(shè)計揚程高等特點,加之水泵機組數(shù)量較多,由事故停電而引起的水力過渡過程較為復(fù)雜。從技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā),提出合理的水錘防護手段對保障泵站安全、減少泵站建造成本都具有重要意義。在長距離輸水管道系統(tǒng)中,常用的水錘防護手段包括增大水泵轉(zhuǎn)動慣量、合理設(shè)置關(guān)閥規(guī)律、安裝空氣閥與單向調(diào)壓塔等。如張毅鵬等[4]研究了5臺水泵并聯(lián)的6 km輸水管道停泵水錘,發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置關(guān)閥規(guī)律與安裝空氣閥和單向調(diào)壓塔能明顯降低停泵水錘造成的危害;王玲等[5]通過研究壓力波動預(yù)止閥的關(guān)閉特性,發(fā)現(xiàn)具有減速關(guān)閉特性的預(yù)止閥更有利于水錘的防護。由于不同泵站基本條件的差異性,采取何種防護措施需對其進行詳盡的計算,本文結(jié)合工程實例,對斷電事故下3臺水泵并聯(lián)的17.60 km長距離輸水管道進行水力過渡過程分析與計算,并提出相應(yīng)的水錘防護措施。

        1 工程概況

        四川某水廠清水輸水管線從凈水廠至加壓泵站線路總長度約17.60 km,輸水管材為DN1400的Q235A焊接鋼管,設(shè)計壓力1.0 MPa。凈水廠內(nèi)安置4臺同型號單級雙吸清水離心泵(3用1備),單臺水泵設(shè)計流量為1 945 m3/h,其具體參數(shù)如表1所示。凈水廠內(nèi)3臺水泵并聯(lián)運行,輸水管為單管布置,系統(tǒng)設(shè)計流量為5 835 m3/h,其輸水管線沿地形布置情況如圖1所示。該水廠泵出口設(shè)置液控蝶閥,管道沿線高處均設(shè)置有復(fù)合式雙口排氣閥,排氣閥布置原則為每500 m設(shè)置一個。

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

        圖1 輸水系統(tǒng)管道縱剖圖Fig.1 Profile of pipe

        2 水力過渡過程計算模型

        2.1 水泵全特性曲線

        一般的,含水泵機組的長距離輸水管道系統(tǒng)進行水力過渡過程進行數(shù)值計算時,需要設(shè)置水泵的邊界條件,為了表示水泵在各種運行工況的特性,引入WH~x、WB~x坐標的水泵全特性曲線[6]。由于從制造者那里得不到泵的全特性資料,只能通過已知比轉(zhuǎn)速泵的數(shù)據(jù)引申,文獻[7-9]給出了水泵全特效曲線換算方法。已知國際單位比轉(zhuǎn)速ns公式為:

        (1)

        式中:轉(zhuǎn)速n的單位為r/min,揚程H的單位為m,流量Q的單位為m3/s(雙吸泵在計算比轉(zhuǎn)速時,流量需除以2)。得到該水廠3臺單級雙吸離心泵比轉(zhuǎn)速為ns=26,由文獻8得到該型號水泵Suter曲線如圖2所示。

        圖2 ns=26泵全特性曲線Fig.2 The complete characteristic curve of ns=26

        相應(yīng)的,由Thorley[10]給出的經(jīng)驗公式計算得到該水廠3臺水泵葉輪慣量Ip=12.59 kg·m2、電機慣量Im=31.8 kg·m2。

        2.2 水錘波速

        水錘波速采用不可壓縮薄壁彈性管水擊波速計算公式[8],并假設(shè)整個管線錨定而不能縱向位移,其計算公式為:

        (2)

        式中:ψ為無量綱參數(shù),取決于管道的彈性特征;E為管壁楊氏彈性模量;K為液體的體彈性模量;ρ為液體密度;v為泊松比。其中,無量綱參數(shù)ψ通過以下公式確定:

        (3)

        式中:D為管道直徑;e為管壁厚度,計算求得輸水管道內(nèi)水錘波速為1 012.04 m/s。

        2.3 邊界條件及計算方法

        管道系統(tǒng)非恒定流水錘方程采用特征線法進行求解,水泵邊界條件由水泵的水頭平衡方程及慣性方程組成,進出水池、管道并聯(lián)節(jié)點等邊界條件采用相鄰管端的正、負特征方程和邊界點的水力特性方程聯(lián)立求解,相應(yīng)的建立液控蝶閥、單向調(diào)壓塔和排氣閥的邊界條件。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 無防護措施

        假設(shè)工程未增設(shè)任何防護措施,當發(fā)生事故停泵時泵出口蝶閥未能及時關(guān)閉,對工程進行水力過渡過程計算,計算時間為300 s。圖3為無防護措施下事故停泵的無量綱轉(zhuǎn)速、流量、揚程隨時間變化曲線,從圖3中可以看出,水泵在16.89 s后進入水輪機工況,葉輪倒轉(zhuǎn),最高倒轉(zhuǎn)速度為額定轉(zhuǎn)速的1.4倍,超過《泵站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的離心泵最高倒轉(zhuǎn)速度不超過額定轉(zhuǎn)速1.2倍的要求。水泵在10.69 s后開始倒流,最大倒泄流量為額定流量的0.8倍;最大揚程為額定揚程的1.64倍,超過規(guī)范規(guī)定的1.5倍。由圖4可以看出,事故停泵后,泵出口閥門發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象,最大空腔體積為45 m3,水錘壓力為0.76 MPa(約78m水柱高度)??梢?,在無水錘防護裝置下,管道內(nèi)不僅出現(xiàn)液柱分離現(xiàn)象產(chǎn)生較大水錘,而且管道內(nèi)水大量倒灌至進水池引起水泵倒轉(zhuǎn),嚴重時將燒壞電機;因此,該水廠必須采取相應(yīng)的防護措施。

        圖3 事故停泵水力過渡計算結(jié)果Fig.3 Results of hydraulic Transient Process of pump-stopping

        圖4 事故停泵閥門出口空腔與壓力對比Fig.4 Pressure and cavity volume comparison of pump-stopping

        3.2 二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥聯(lián)合防護措施

        大量實驗與研究顯示[1,5],合理布置空氣閥與設(shè)置閥門關(guān)閉規(guī)律能有效降低水錘壓力。輸水管路沿線設(shè)置空氣閥,同時,擬在泵出口設(shè)置4種不同關(guān)閉規(guī)律的液控蝶閥,4種方案均采用二階段線性關(guān)閉;其閥門不同關(guān)閉規(guī)律下最大水錘壓力結(jié)果如表2所示??梢钥闯?,不同關(guān)閥規(guī)律下,輸水管道內(nèi)依然存在較大的水錘壓力,但由于空氣閥的存在,最小水錘壓力大于氣化壓力。

        事故停泵出口蝶閥10 s快關(guān)70度與90 s慢關(guān)20度二階段關(guān)閥水力過渡過程計算結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中可以看出,泵出口蝶閥關(guān)閉后,閥門出口壓力迅速下降,最低壓力為8.43 kPa,略高于常溫下水氣化壓力2.062 kPa;隨后壓力迅速增加,最大水錘壓力為1.36 MPa,大于輸水管道的設(shè)計壓力。

        表2 不同關(guān)閥規(guī)律水力過渡計算結(jié)果Tab.2 Results of hydraulic transient process of different method for closing-valve

        在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥措施下,管線最大水錘壓力出現(xiàn)在樁號J39,距凈水廠4 216.24 m處,其壓力隨時間分布曲線如圖5(b)所示。100 s液控蝶閥徹底關(guān)閉后,管道內(nèi)產(chǎn)生了較大的水錘,水錘壓力為1.59 MPa,大于管道設(shè)計壓力1.0 MPa。相對于事故停泵無防護措施下泵出口產(chǎn)生空腔,空氣閥一定程度上能防止管道內(nèi)壓力降低到氣化壓力以下,但仍然無法降低最大水錘壓力。而不同關(guān)閥規(guī)律能一定程度上降低最大水錘壓力,但改善效果有限,這是因為該工程具有較長的輸水系統(tǒng),且沿線起伏大;關(guān)閥后,大量空氣進入管道內(nèi)形成更為復(fù)雜的氣液兩相流。因此,該工程應(yīng)采取其他防護措施。

        圖5 10 s/70°,90 s/20°關(guān)閥水力過渡計算結(jié)果Fig.5 Results of hydraulic Transient Process of closing valves for 10 s/70°,90 s/20°

        3.3 單向調(diào)壓塔防護措施

        在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥防護措施基礎(chǔ)上,于壓力輸水管道J3節(jié)點距泵房300 m第一個拐點處設(shè)置單向調(diào)壓塔一座,調(diào)壓塔直徑為4 m,高5.5 m。單向調(diào)壓塔距地面高度約2 m,單向調(diào)壓與壓力輸水管道間通過DN300鋼管連接,連接處設(shè)置止回閥,防止管道內(nèi)水涌入單向調(diào)壓塔內(nèi)。事故停泵后其泵閥門壓力隨時間分布如圖6所示,可以看出,設(shè)置單向調(diào)壓塔之后,泵出口閥門處壓力在0.1~0.7 MPa之間波動,最大壓力小于管道設(shè)計壓力;最小壓力遠大于常溫下水氣化壓力,即設(shè)置單向調(diào)壓塔之后,在事故停泵后,泵出口蝶閥關(guān)閉,管道內(nèi)不再發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象。從圖7可以看出,事故停泵發(fā)生之后,調(diào)壓塔內(nèi)水位迅速下降向管道內(nèi)補水,總補水量61.64 m3。通過與圖5與圖6進行對比可知,事故停泵后單向調(diào)壓塔通過向管道內(nèi)補水,避免了事故停泵時彌合水錘的產(chǎn)生;相對于設(shè)置空氣閥下,單向調(diào)壓塔在降低水錘壓力的效果更加明顯。因此,該工程增設(shè)單向調(diào)壓塔能有效避免停泵水錘對輸水管路系統(tǒng)造成破壞。

        圖6 泵出口閥門壓力隨時間變化曲線Fig.6 Pressure drop history at pump outlet valve

        圖7 調(diào)壓塔水量隨時間變化曲線Fig.7 Volume drop history of surge tank

        4 結(jié) 論

        對四川某水廠17.60 km輸水管道及機組進行事故停泵的水力過渡過程計算,結(jié)果表明:

        (1)無水錘防護裝置下,事故停泵時水泵倒轉(zhuǎn)速度為額定轉(zhuǎn)速的1.4倍,倒泄流量為額定流量的0.8倍。事故停泵后管道內(nèi)將發(fā)生液柱分離再彌合現(xiàn)象,最大空腔體積為45 m3,最大水錘壓力為0.76 MPa。其結(jié)果不符合《泵站設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求。

        (2)空氣閥在事故停泵后,能防止管道內(nèi)水壓力低于氣化壓力;改善泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律不能使輸水管道內(nèi)最大水錘壓力降低到合理范圍之內(nèi),輸水管道內(nèi)最大水錘壓力大于輸水管道的設(shè)計壓力。

        (3)在二階段關(guān)閉蝶閥與空氣閥的基礎(chǔ)上設(shè)置單向調(diào)壓塔,能有效消除事故停泵后管道內(nèi)液柱分離再彌合現(xiàn)象,管道內(nèi)最大水錘壓力均小于輸水管道設(shè)計壓力,防水錘效果明顯,該工程中應(yīng)當采用。

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