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        大型泵站管道水力過渡過程計算及防護研究

        2020-04-22 08:42:44丁銀劍
        水利技術(shù)監(jiān)督 2020年2期
        關(guān)鍵詞:包絡線水錘調(diào)壓

        丁銀劍

        (新疆水利水電勘測設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

        1 工程概況

        新疆YE供水二期輸水工程SS段線路全長106.055km,主要由SJZ泵站、壓力管道、輸水隧洞及尾部KMS水庫等建筑物組成。

        SJZ泵站設計揚程為186m,泵站內(nèi)共安裝6臺(四用兩備)主泵及2臺充水泵,泵后分別設有DN1200及DN700軸流式止回閥。主泵采用臥式雙級雙吸離心泵,單泵流量為3.25m3/s。充水泵采用臥式單級雙吸離心泵,單泵流量為1m3/s。3臺主泵并聯(lián)在一根管路上,正常工況下,單根管路上為2臺流量為3.25m3/s的主泵并聯(lián)運行或1臺主泵與1臺充水泵并聯(lián)運行,出水管路總水頭損失約為0.2447×Q2。

        泵后壓力管道總長11.16km,為DN2400壓力鋼管,雙管并行布置,設計流量為13m3/s,最大工作壓力為1.98MPa。管道出口為2600m3的出水池。

        為減少水錘防護的難度,壓力管道在布置上避免了兩頭低、中間高的凸點,基本為一路上坡,前半段較為平緩,后半段進入山區(qū)后較陡,由于地形原因,全線縱向共布置4個上折點(膝部)。

        2 問題的提出

        在長距離、大流量、高揚程輸水管路中,水錘現(xiàn)象是影響工程安全運行不可忽視的重要因素,尤其是突發(fā)性的事故停機時產(chǎn)生的停泵水錘,將會造成離心泵反轉(zhuǎn),引發(fā)管道內(nèi)流速的瞬時變化,從而引起管壓的急劇升高或降低,并引發(fā)反復交替性的水錘力。這種現(xiàn)象會對泵站機組、管道及其附屬設備造成破壞,因此,如何選擇安全、可靠的水錘防護措施,對于長距離、高揚程輸水管路至關(guān)重要。本文重點分析SJZ泵站事故停泵時的水錘防護措施。

        3 水錘防護措施的選擇

        根據(jù)國內(nèi)當前水錘防護技術(shù)水平和通用防護措施,常見的事故停泵水錘防護措施包括:泵后止回閥、單(雙)向調(diào)壓塔、調(diào)壓罐、空氣閥、超壓泄壓閥及箱式雙向調(diào)壓塔等。

        3.1 止回閥

        (1)液控緩閉止回閥(兩階段關(guān)閉):泵站停泵后,水流從正向流動變?yōu)槟嫦蛄鲃樱瑸榱私档完P(guān)閥水錘,泵后緩閉止回閥分兩階段關(guān)閉,80%左右快關(guān),20%左右慢閉,以降低動態(tài)水壓至較低水平。

        (2)軸流式止回閥(速閉):“零流速”關(guān)閉,能防止水泵及驅(qū)動電動機反轉(zhuǎn),同時閥盤關(guān)閉不會產(chǎn)生巨大的水擊力,從而實現(xiàn)靜音效果,其最大功能是消除了由流速變化引起的水錘升壓。

        3.2 雙向調(diào)壓塔

        雙向調(diào)壓塔既可在管道低壓時向管道內(nèi)注水,防止管道出現(xiàn)斷流,避免出現(xiàn)斷流彌合水錘,也可以在管道出現(xiàn)過高的正壓水錘波時,消減過高的水錘升壓,是較好的水錘防護措施之一。

        3.3 單向調(diào)壓塔

        單向調(diào)壓塔僅能防止管道內(nèi)出現(xiàn)負壓,而對管道出現(xiàn)正壓波沒有作用。且應注意冬季保溫,逆止閥及液控閥需定期維護。

        3.4 空氣罐

        空氣罐為密閉的高壓容器,其上部為高壓氣體,下部為水體,底部通過連通管與主管道相連,隨著管路中壓力的變化,氣壓罐向管道補水或吸收管道中過高壓力,抗水錘原理上與雙向調(diào)壓塔類似。其構(gòu)造簡單,自動運行,避免了如水錘消除器等裝置因設備故障或人為原因造成的事故。

        3.5 箱式雙向調(diào)壓塔

        箱式雙向調(diào)壓塔實際上相當于一個閥門。管道超壓時泄水降壓,相當于泄壓閥的功能;當管道負壓時,打開閥門向管道內(nèi)補水,相當于單向調(diào)壓塔的功能。由于本工程管道均是仰坡,根據(jù)水錘防護初步分析管道沿線防護任務主要為消除負壓。箱式雙向調(diào)壓塔在消除負壓時需另設補水池配合工作,其工程布置比單向調(diào)壓塔相對復雜。

        通過以上分析,并結(jié)合大量的工程,實踐表明,長距離輸水管線的水錘防護不可能單獨依靠一種設備來實現(xiàn),必須依靠多種水錘防護設備互相協(xié)調(diào)、互相配合才能有效地對水錘進行防護。

        針對本工程的特點,選擇的調(diào)壓設施為:軸流式止回閥+雙向調(diào)壓塔+空氣罐,空氣閥及超壓泄壓閥只作為安全儲備措施,不參與水力過渡過程計算。

        4 計算分析

        4.1 主要技術(shù)參數(shù)

        泵站進、出水池水位級水泵機組主要參數(shù)見表1—2。

        表1 泵站進、出水池水位

        表2 水泵機組主要參數(shù)

        4.2 計算原則

        根據(jù)規(guī)范并結(jié)合本工程特點,本工程水力過渡過程計算原則如下:

        (1)根據(jù)管道承壓能力,沿線最大壓力不超過260m水頭。

        (2)管道沿線管頂最小壓力不小于2m水頭。

        (3)離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍,超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間不應超過2min。

        4.3 計算工況

        工況組合見表3。

        表3 工況組合

        4.4 計算過程

        根據(jù)工程布置,擬定在管線中后部設置一處空氣罐和一處雙向調(diào)壓塔,其具體參數(shù)及位置見表4。

        表4 調(diào)壓設施布置表

        其中,單個空氣罐體積為28.61m3,水氣比為1∶1??諝夤抻胁⒙?lián)及梯形兩種布置方式,在并聯(lián)布置中,如圖1所示,每個空氣罐均有一根補水管,長度為12.5m,管徑為250mm,所有管道局部損失系數(shù)取5,每個空氣罐在主管上的間隔為5m;在梯形布置中,如圖2所示,取與空氣罐直連的接管(即圖中的32、30、27、28管道)管徑為250mm,管長為2.5m,管道局部損失系數(shù)取3,而其余接管管徑均取500mm,管長為5m,管道局部損失系數(shù)取1;雙向塔與主管連接管長度取15m,管徑為800mm,局部損失系數(shù)取為1。

        圖1 空氣罐并聯(lián)布置圖

        圖2 空氣罐梯形布置圖

        (1)工況一

        空氣罐并聯(lián)布置,計算一管雙機的事故停泵工況,2臺水泵設計流量均為3.25m3/s,水泵出口為軸流式止回閥。掉電后,當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關(guān)閉,零流速時關(guān)死。

        計算結(jié)果:最大壓力為232m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為2.67m水頭,機組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.56m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為16.6m,最高涌浪為34.2m,出水池水位下降約0.35m。計算結(jié)果符合過渡過程控制標準,壓力包絡線如圖3所示。

        圖3 工況一壓力包絡線

        (2)工況二

        空氣罐梯形布置,計算一管雙機的事故停泵工況,2臺水泵設計流量均為3.25m3/s,水泵出口為軸流式止回閥。掉電后,當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關(guān)閉,零流速時關(guān)死。

        計算結(jié)果:最大壓力為235m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為2.51m,機組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.26m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為17.6m,最高涌浪為33.1m,出水池水位下降約0.29m。計算結(jié)果符合過渡過程控制標準,壓力包絡線如圖4所示。

        圖4 工況二壓力包絡線

        (3)工況三

        空氣罐并聯(lián)布置,計算一管雙機的事故停泵工況,1臺水泵設計流量為3.25m3/s,另1臺水泵設計流量為1m3/s,水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后,當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關(guān)閉,零流速時關(guān)死。

        計算結(jié)果:最大壓力為216m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為4.5m水頭,大機組最小轉(zhuǎn)速為13.7r/min,無倒轉(zhuǎn),小機組最小轉(zhuǎn)速為26.4r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.75m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.2m,最高涌浪為33.5m,出水池水位下降約0.27m。計算結(jié)果符合過渡過程控制標準,壓力包絡線如圖5所示。

        圖5 工況三壓力包絡線

        (4)工況四

        空氣罐梯形布置,計算一管雙機的事故停泵工況,1臺水泵設計流量為3.25m3/s,另1臺水泵設計流量為1m3/s,水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后,當閥門處流速下降至1.5m/s時開始關(guān)閉,零流速時關(guān)死。

        表5 各工況計算結(jié)果一覽表

        計算結(jié)果:最大壓力為226m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為4.6m水頭,大機組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),小機組最小轉(zhuǎn)速為26.6r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.52m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.9m,最高涌浪為32.5m,出水池水位下降約0.25m。計算結(jié)果符合過渡過程控制標準,壓力包絡線如圖6所示。

        圖6 工況四壓力包絡線

        5 結(jié)語

        經(jīng)過對本工程的計算分析可知,對于長距離、大流量、高揚程輸水管線,雙向調(diào)壓塔與空氣罐結(jié)合的水錘防護措施能有效地降低水錘壓力,并控制負壓在理想狀態(tài)。

        對空氣罐并聯(lián)布置和梯形布置的計算結(jié)果顯示,兩種布置對防護效果影響較小,可根據(jù)實際情況選取合適的布置形式。

        計算中需注意,空氣罐的接管的局部損失系數(shù)對結(jié)果影響較大,特別是對于正壓的影響,建議其取值不應小于本次計算中的取值,如果實際管道不滿足局部損失系數(shù)的要求,應考慮增大局部損失系數(shù),在實際工程施工中,建議盡量接近本次計算的取值,否則應進行復核計算。

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