陳 衛(wèi)

(昆明民用建筑設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650034)

1 工程概況

某工業(yè)園區(qū)供水工程，受水源條件和地形條件限制，原水經(jīng)凈水廠處理后需經(jīng)泵站提升后供用戶使用，泵站供水量為日供水量為15萬t/d，水泵分為兩組，每組供水量為7.5萬t/d，按照工業(yè)園區(qū)內(nèi)用水企業(yè)的用水要求，泵站供水能力需要靈活調(diào)度，故每組水泵由4臺泵組成(不含備用泵)，形成單臺泵運行、2臺泵并聯(lián)運行、3臺泵并聯(lián)運行、4臺泵并聯(lián)運行四種工況。泵站出水采用2根DN800 mm鋼管輸送至用戶，管道長度為6 840 m，管道中途翻越1處駝峰，水泵所需最大揚程為216 m。選擇雙吸單級離心泵，單臺泵技術(shù)參數(shù)如下：①揚程(m)：220.5～216～209；②流量(m3/h)：800～1 000～1 200；③效率(%)： ≥75，≥80，≥80；④必須汽蝕余量(NPSHr)：≤5.0 m～≤5.0 m～≤5.0 m；⑤水泵轉(zhuǎn)速：<1 500 rpm； ⑥水泵出口直徑(mm)：250；⑦水泵比轉(zhuǎn)速ns約為40.8；⑧ 水泵轉(zhuǎn)動慣量J為16 kg·m2(不含水及聯(lián)軸器)；⑨配套電機(jī)型號:Y450-4(IP23/10 kV)，100 kW；⑩電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量GD2：電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量22.1 kg·m2，電機(jī)允許負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為265 kg·m2。

2 泵站水錘的危害

在泵站中，機(jī)組的啟動和停機(jī)、閥門開啟和關(guān)閉、水泵轉(zhuǎn)速或葉片角度的變化等都會使管道內(nèi)流速發(fā)生變化，使管道中的水流產(chǎn)生相應(yīng)的沖量，從而使其壓力發(fā)生變化。單位時間內(nèi)的動量變化越大，管道中的壓力變化也越大，由此產(chǎn)生的沖擊力也越大。該力作用在管道和水泵的部件上猶如錘擊，致使管道破裂，設(shè)備損壞，這就是泵站水錘。

泵站水錘可分為關(guān)閥水錘、啟動水錘和停泵水錘等。一般情況下啟動水錘不大，只是在空管的情況下，當(dāng)管中空氣不能及時排出而被壓縮時才會加劇水流壓力的變化。關(guān)閥水錘在正常操作時不會引起過大的水錘壓力。由于突然停電或誤操作造成的事故停泵所產(chǎn)生的停泵水錘往往數(shù)值較大，一般可達(dá)正常壓力的1.5～4倍，甚至更大，破壞性強(qiáng)，常造成意外損失。因此，對停泵水錘必須進(jìn)行認(rèn)真分析，以便采取必要的防護(hù)措施。

3 事故停泵過渡過程的計算與分析

事故停泵水錘與水泵機(jī)組的性能、管路是否安裝逆止閥以及逆止閥的關(guān)閉特性等因素有關(guān)。在本工程中，最不利情況為4臺泵并聯(lián)工作時發(fā)生同時停機(jī)的狀況，因此，對這種工況下無防護(hù)措施、管路上僅設(shè)置空氣閥、管路上設(shè)置空氣閥+調(diào)壓塔+泵出口設(shè)置逆止閥+泄壓閥三種方式進(jìn)行了過渡過程的計算分析，以找到最佳的水錘防護(hù)方案。

3.1 4臺機(jī)組同時停機(jī)——無防護(hù)措施

圖1是無防護(hù)措施的情況下，4臺機(jī)組同時停機(jī)過渡過程，管路系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線，最大壓力297.57 m，有段管路出現(xiàn)汽化。

圖1 壓力包絡(luò)線

圖2是汽化點處壓力隨時間變化曲線，汽化持續(xù)了一定時間，并在汽化消失的瞬間產(chǎn)生了極大的壓力升高。

圖2 輸水管汽化點壓力隨時間變化曲線

由圖2可看出，在無任何防護(hù)措施時，一旦產(chǎn)生停泵水錘將對管路和水泵造成極大破壞。

3.2 4臺機(jī)組同時停機(jī)——管路上僅設(shè)空氣閥

根據(jù)反復(fù)計算和分析，在輸水管路上設(shè)置了8個進(jìn)排氣閥，圖3是設(shè)置了進(jìn)排氣閥后，4臺機(jī)組同時停機(jī)，管線系統(tǒng)的壓力包絡(luò)線。最大壓力309.8 m，最小壓力-6.4 m，消除了汽化現(xiàn)象。圖4是泵流量隨時間變化曲線，從圖4中可以看出，回流時間是4.6 s，最大倒流流量大小達(dá)到了正常流量大小的1.13倍，倒流問題嚴(yán)重。

圖5是泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，從圖5中可以看出，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速大小達(dá)到了正常轉(zhuǎn)速的1.36倍，不能滿足規(guī)范要求。

圖6是輸水管3 013 m處(設(shè)進(jìn)排氣閥)壓力隨時間變化曲線，設(shè)置進(jìn)排氣閥的位置，消除了負(fù)壓，但是排氣階段壓力升高依然較大。

圖3 壓力包絡(luò)線

圖4 泵流量隨時間變化曲線

圖5 泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖6 輸水管設(shè)進(jìn)排氣閥處壓力隨時間變化曲線

設(shè)置進(jìn)排氣閥后，4臺機(jī)組同時停機(jī)，可以解決汽化問題，但存在嚴(yán)重的倒流問題，造成水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過大，將對水泵產(chǎn)生較大的危害，同時，會產(chǎn)生較大的壓力升高。

3.3 4臺機(jī)組同時停機(jī)——管路上設(shè)置空氣閥+調(diào)壓塔+泵出口設(shè)置多功能水力控制閥+泄壓閥

為解決倒流的問題，在泵出口設(shè)置逆止閥，為解決管路壓力升高的問題，在管路上設(shè)置泄壓閥，同時，在管路駝峰處設(shè)置雙向調(diào)壓塔，在管路上坡的中部設(shè)置單向調(diào)壓塔，設(shè)備布置示意見圖7。

圖7 設(shè)備布置示意圖

圖8是設(shè)置逆止閥、空氣閥、單向調(diào)壓井、雙向調(diào)壓井、超壓泄壓閥后，4臺機(jī)組同時停機(jī)，采用0～4.0 s關(guān)閉90%，4.0～30 s完全關(guān)閉的兩階段規(guī)律關(guān)閉時，管路的壓力包絡(luò)線。最大壓力243.99 m，最小壓力-4.80 m，沒有汽化。

圖8 壓力包絡(luò)線

圖9～10分別是“泵流量隨時間變化曲線”和“泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線”，從圖11中可以看出，采用此關(guān)閥方案很好地解決了倒流和倒轉(zhuǎn)的問題。

圖9 泵流量隨時間變化曲線

圖10 泵轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖11是壓力最高點壓力(出現(xiàn)在樁號6+538處)隨時間變化曲線，從圖11中可以看出，最大壓力是額定壓力的1.06倍，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的小于1.2倍。

圖11 壓力最高點壓力隨時間變化曲線

圖12是輸水管管線壓力最低點壓力(出現(xiàn)在樁號3+673處)隨時間變化曲線從圖中可以看到最小壓力為-4.80 m，沒有產(chǎn)生汽化。

圖12 壓力最低點壓力隨時間變化曲線

采取了設(shè)置逆止閥、空氣閥、單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔、超壓泄壓閥后，4臺機(jī)組同時停機(jī)，管線中沒有出現(xiàn)汽化，也沒有超壓，水泵沒有出現(xiàn)嚴(yán)重倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，很好地保護(hù)了水泵和管路。依照4臺機(jī)組同時停機(jī)采用的防護(hù)措施，進(jìn)行1臺、2臺和3臺機(jī)組同時停機(jī)進(jìn)行校核計算，結(jié)果顯示，3臺機(jī)組、2臺機(jī)組、1臺機(jī)組同時停機(jī)，只需調(diào)整關(guān)閥方案即可。

4 本工程中水錘防護(hù)措施的配置

停泵水錘首先出現(xiàn)降壓，如果在初始階段降壓過大，則隨后的第二階段的升壓也較大；如果降壓有可能導(dǎo)致水柱分離再彌合，將可能加劇水錘升壓的發(fā)生。所以，水錘防護(hù)措施首先從防降壓著手，再考慮防止升壓的措施。

4.1 防止壓力降低的措施

1)設(shè)置調(diào)壓塔。由于本工程管線較長，并且有駝峰出現(xiàn)，發(fā)生水錘時管路中會產(chǎn)生負(fù)壓或水柱中斷。設(shè)置調(diào)壓塔，通過塔中水流進(jìn)管道，或管道中水流進(jìn)調(diào)壓塔來緩和管路中的壓力變化，向負(fù)壓處補(bǔ)壓、向水柱中斷處補(bǔ)水，從而達(dá)到防止管路中壓降過大或水柱中斷，也避免了中斷后的水柱重新彌合時產(chǎn)生較大的水錘壓力上升。本工程在管線駝峰處設(shè)置了雙向調(diào)壓塔，在易于產(chǎn)生負(fù)壓的管線處設(shè)置了單向調(diào)壓塔。

2)設(shè)置注氣微排閥?？紤]到水泵啟動時的管道排氣，結(jié)合防止管道瞬變時的汽化，本工程在局部高點設(shè)置了快進(jìn)慢排氣注氣微排閥。

在水泵啟動初，通過低壓氣閥大量快速地排出管網(wǎng)中的空氣，也即在管道壓力低于2 m的壓力時，氣閥能以通徑大量排氣；大于2 m時，排氣口按過渡過程計算的排氣口直徑排氣。

在系統(tǒng)管網(wǎng)的正常工作工況下，注氣微排閥門(在低壓能大量排氣)不斷地將管網(wǎng)中集結(jié)的空氣排出，確保管道安全。

在系統(tǒng)停泵時，在管道內(nèi)部形成負(fù)壓時，注氣微排閥門快速大量吸氣，抑制管道內(nèi)的負(fù)壓，從而避免爆管事故發(fā)生。為防止充水速度過快產(chǎn)生水錘，注氣微排閥設(shè)有防水錘、降噪組件，具備快開緩閉功能及配件。先適量排氣到設(shè)定低壓后(2 m)，再緩慢排放剩余全部微量氣體。不會出現(xiàn)因管道排氣速度過快，管線壓力迅速上升而導(dǎo)致水錘及撞擊。

4.2 防止升壓過高的措施

1)采用多功能水力控制閥。多功能水泵控制閥消除水錘的效果好，它將速閉、緩閉和吸納三種消除水錘的方式結(jié)合在一起。停泵時主閥板在正向水流逐漸降為零之前迅速關(guān)閉——這就是速閉過程，減少大量返流水的產(chǎn)生，由于主閥板上有泄流孔，允許一小部分水流通過主閥板返回，從而有效防止水泵過度倒轉(zhuǎn)；停泵時在主閥板的前后形成壓力差，出口端的壓力高于進(jìn)口端的壓力，出口端的壓力水通過旁通管進(jìn)到控制室的上腔，推動膜片壓板的閥桿、緩閉閥板一起向下移動，緩慢地將主閥板上的泄流孔關(guān)閉——這就是緩閉過程；壓力水推動膜片壓板向下移動的過程中，膜片控制室上腔的容積在不斷增加，可以吸納一部份返流水——這就是吸納過程。無論水泵是否正常停機(jī)還是事故停機(jī)時，水泵控制閥在水泵停機(jī)時3 s內(nèi)快速關(guān)閉約90%開度，剩余的10%的開度在120 s內(nèi)(可調(diào)節(jié))緩慢關(guān)閉，使消除水錘的效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

2)設(shè)置超壓泄壓閥。由于水錘過渡過程的計算存在一定的局限性，超壓泄壓閥作為二次防護(hù)的主要工具，一旦出現(xiàn)壓力過度升高，超過規(guī)范限定值時，超壓泄壓閥感應(yīng)并打開，以保護(hù)系統(tǒng)安全。

5 結(jié) 論

本工程在事故停泵過渡過程的計算分析的指導(dǎo)下，通過對水錘防護(hù)措施的多種方案計算分析，找到了適合本工程特點的防護(hù)方案。從工程的實際運行效果來看，泵站初次充水及正常運行平穩(wěn)，水錘防護(hù)措施很好地保護(hù)了泵站和管路的安全。

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