李 誠
(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510635)
對于長距離有壓輸水管道工程,由于管道線路長,造成運行維護檢修困難,對管道事故的響應(yīng)也有延時,管道破損情況反映遲緩。為控制工程造價,降低泵站機組投資,常選擇轉(zhuǎn)動慣量不大的泵機組。當泵機組轉(zhuǎn)動慣量處于正常區(qū)間時,若突然發(fā)生水泵失電,泵機轉(zhuǎn)速驟變導(dǎo)致泵后第一波的水錘壓力在2s內(nèi)下降很快。對于長距離有壓管道輸水系統(tǒng),水錘波反射一相的時間遠大于壓降時間,斷電泵后產(chǎn)生的第一波壓降,一般視為負水錘特征。為了保證泵站及輸水系統(tǒng)的的安全穩(wěn)定運行,需針對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的水錘問題進行泵站抽水斷電事故計算分析,計算不同初始流量條件下恒定流發(fā)生抽水斷電時的泵組最不利參數(shù)(包括最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)時間、最大倒泄流量等)、管線最大最小水錘壓力包絡(luò)線,對泵出口閥關(guān)閉程序進行優(yōu)化,確定工程合理的水錘防護措施。本文以廣東省西部某長距離引調(diào)水工程為例,采用水錘和瞬態(tài)分析軟件Bentley Hammer V8i (SELECT series6) 對工程設(shè)計方案進行建模,針對不同工況下泵站發(fā)生無防護抽水斷電事故進行仿真計算,使用特征線法進行水力瞬態(tài)流分析,判斷斷電過渡過程對整個輸水系統(tǒng)可能造成的影響, 為該引調(diào)水工程的設(shè)計及安全運行提供決策依據(jù)。
該長距離輸水工程以水庫作為取水水源,庫外設(shè)置取水泵站,原水經(jīng)泵站加壓后,沿途經(jīng)兩次分水后輸送至3個交水點,管線總長約61.92 km。最大輸水規(guī)模12.3 m3/s。沿途2個分水口流量分別為:0.93、0.46 m3/s,3個交水點流量分別為:1.19、2.56、6.40 m3/s。工程3個主管管徑及長度分別為DN2800和14.68 km、DN2600和39.40 km、DN2000和7.84 km。管道沿線在地形相對高點共設(shè)置了101個空氣閥。取水泵站安裝6臺臥式單級雙吸中開離心泵(4用2備),具體的水泵參數(shù)見表1。
表1 水泵參數(shù)表
泵站每臺水泵出口均設(shè)置DN1200(1.6 MPa)液控緩閉止回蝶閥作為斷流設(shè)備,正常情況下當泵組啟動時開啟,停機時關(guān)閉;泵組事故失電時該閥門按調(diào)定的角度和時間分快和慢兩階段關(guān)閉。
泵站系統(tǒng)在實際運行期間有多種運行工況,不同工況下有壓管段沿線的測壓管水頭和內(nèi)水壓力都有較大的不同。當管道流量較大時,流量變化也就越大,泵發(fā)生抽水斷電時容易出現(xiàn)較大負壓,為較危險工況;其次,當管道流量較小時,雖然流量小,但泵出口初始壓力低,發(fā)生抽水斷電時可能導(dǎo)致較大負壓。擬定如下2種工況為無防護抽水斷電危險工況。
工況一(最大流量):引水水庫水位32.30 m,管線末端水位42.42 m,水泵揚程81.71 m,總流量12.26 m3/s,單泵流量3.065 m3/s。正常運行條件下管道沿線壓力最小值為20.07 m,在輸水系統(tǒng)末端樁號K62+167.00 m處;管道沿線壓力最大值為89.49 m,出現(xiàn)在樁號K11+782.53 m處。
上述工況下泵站發(fā)生抽水斷電事故,4臺工作泵組全部斷電,泵后閥無法工作。對該事故情況進行抽水斷電過渡建模仿真計算,其計算結(jié)果如圖1~4所示。
圖1 管道全線最大壓力包絡(luò)線圖
根據(jù)以上建模仿真計算結(jié)果,在最大流量工況下,泵站發(fā)生抽水斷電事故,4臺機組同時斷電,泵后閥無法工作時,水泵轉(zhuǎn)速斷電后瞬時由正常590 r/min降至100 r/min,隨后轉(zhuǎn)速緩慢下降,斷電后700 s時降至0 r/min,發(fā)生反轉(zhuǎn),斷電后1 100 s時達到最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,-155.99 r/min,約為額定轉(zhuǎn)速的26%,水泵反轉(zhuǎn)時間相對較長,可能會對水泵造成破壞。
圖2 管道全線最小壓力包絡(luò)線圖
圖3 樁號11+782.53 m處壓力變化曲線圖
圖4 樁號37+030.23 m處壓力變化曲線圖
泵后壓力瞬時由81.88 m降至-4.75 m,最大壓降達88.63 m,該壓力波向泵后傳播將使得樁號K37+030.23 m處管中心的壓力極小值達-36.57 m。隨后由于水泵轉(zhuǎn)速降低并反轉(zhuǎn),泵后壓力逐漸升高并穩(wěn)定。由于樁號K37+030.23 m處為管道沿線高程次高點,且上游K34+082.91 m處為全線管道高程最低點,發(fā)生抽水斷電事故時,管道中瞬時流量變化大,管頂出現(xiàn)水柱斷裂造成管內(nèi)負壓,最大負壓將低于水的汽化壓力-10 m,極為危險。尤其樁號30+980 m~54+081 m段,管道負壓嚴重,管道內(nèi)負壓基本在-25~-10 m范圍波動,管道內(nèi)水體因負壓而汽化,導(dǎo)致彌合水錘。
工況2(小流量):引水水庫水位32.30 m,管線末端水位42.42 m,水泵揚程37.60 m,總流量8.10 m3/s,單泵流量2.70 m3/s。正常運行條件下,管道沿線壓力最小值為10.57 m,出現(xiàn)在樁號K37+030.23 m處;管道沿線壓力最大值為59.42 m,出現(xiàn)在樁號K34+802.91 m處。
上述工況下泵站發(fā)生抽水斷電事故,3臺工作泵組全部斷電,泵后閥無法工作。對該事故情況進行抽水斷電過渡建模仿真計算,其計算結(jié)果如圖5~8所示。
圖5 管道全線最大壓力包絡(luò)線圖
圖6 管道全線最小壓力包絡(luò)線圖
圖7 樁號34+802.91 m處壓力變化過程線圖
圖8 樁號2+770.70 m處壓力變化過程線圖
根據(jù)以上建模仿真計算結(jié)果,在小流量工況下,泵站發(fā)生抽水斷電事故,3臺機組同時斷電,泵后閥無法工作時,水泵將發(fā)生反轉(zhuǎn)。水泵轉(zhuǎn)速斷電后瞬時由正常590 r/min降至140 r/min,隨后轉(zhuǎn)速緩慢下降,斷電后600 s時降至0 r/min,發(fā)生反轉(zhuǎn),斷電后1 000 s時達到最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速-188.21 r/min,約為額定轉(zhuǎn)速的32%,水泵反轉(zhuǎn)時間相對較長,可能會對水泵造成破壞。
泵后壓力在水泵斷電瞬間降為0 m,最大壓降達41.32 m,伴隨水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在1 000 s時達到最大,泵后壓力也在1 000 s時達到穩(wěn)定。該壓力波向泵后傳播將使得樁號2+770.70 m處管中心的壓力極小值達-22.49 m。此樁號處為泵后第一個管道高程高點,管道中流量小,斷電后管道內(nèi)水體倒流,造成該處管道內(nèi)負壓。管道全線存在嚴重程度不同的負壓,在0~-8 m波動,可能在管道沿線不利點造成水錘。
泵站系統(tǒng)在實際運行期間有多種運行工況,根據(jù)水泵抽水斷電管道無防護計算結(jié)果可知,工況一計算得到的泵后管道負壓最為危險,即取最低運行水位32.30 m,最遠端交水點水位42.42 m,泵站4臺水泵工作,輸水系統(tǒng)按最大流量12.26 m3/s供水,單泵流量3.065 m3/s,水泵實際揚程為81.71m,此時4臺水泵同時掉電。
考慮管道沿線高程波動較大,泵后存在工況最不利點,水錘防護選擇沿線布置2座單向調(diào)壓塔。1號單向塔位于樁號K0+082.122 m,該處管中心線高程42.77 m,位于泵站壓力箱下游。出現(xiàn)抽水斷電事故時,防止低流量工況下管道負壓,導(dǎo)致下游樁號11+782.53 m處高壓力點管道內(nèi)水體倒流沖擊泵體。2號單向塔單向塔位于樁號K36+499.37 m處,該處管中心線高程36.94 m。由于樁號K34+082.91 m處為管道沿線中心線最低點,樁號K37+030.23 m處為管道中心線沿線次高點,沿線壓力值極小點。2號調(diào)壓塔主要在該處向管道內(nèi)補水,防止管道內(nèi)出現(xiàn)管頂雙向水柱斷裂形成真空,造成高負壓彌合水錘。
在停泵事故發(fā)生后,為防止單向塔內(nèi)的水體倒流,需要快速關(guān)閉泵后閥門。泵后閥門關(guān)閉得越快,單向塔向泵前倒流的水量越小,可在一定程度上降低機組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,但關(guān)閉過快會導(dǎo)致閥后壓力上升,初步給出下列4種閥門關(guān)閉規(guī)律,各方案閥門關(guān)閉規(guī)律如表2所示。
表2 泵后閥門不同方案關(guān)閉規(guī)律統(tǒng)計表
圖9 水泵抽水斷電后泵后壓力變化過程圖
根據(jù)泵后閥門不同的關(guān)閉規(guī)律,針對工況一情況的抽水斷電事故,對事故后泵后壓力變化進行了仿真計算。結(jié)果顯示,在不同泵后發(fā)關(guān)閉規(guī)律下,閥后壓力在第一次閥體動作后,泵后閥門關(guān)閉越快,閥后壓力波動越為明顯。5 s關(guān)閉規(guī)律下,閥后壓力在17~49 m波動,對泵后管道及附屬設(shè)施沖擊較大,10、15、20 s關(guān)閉規(guī)律下,閥后壓力在21~35 m波動,跟隨關(guān)閥時間保持一致。閥體關(guān)閉動作慢,會導(dǎo)致抽水斷電事故情況下水泵泵后壓力降速低,出現(xiàn)短暫泵后高壓情況。15、20 s的關(guān)閉規(guī)律下,泵后壓力在抽水斷電后10~15 s短暫上升至30 m,導(dǎo)致倒流量增大,水泵轉(zhuǎn)速變化變大,單向塔穩(wěn)定水位逐漸降低,可能造成水泵損壞。10 s關(guān)閉規(guī)律下,泵后壓力在斷電后7 s開始下降,基本在0 m壓力情況下波動。
考慮到泵后閥主要是功能是保護水泵泵體安全,閥后不產(chǎn)生較大升壓的同時能快速關(guān)閉泵后閥門避免單向塔中的水向泵前倒流,本工程取水泵站水泵抽水斷電后泵后閥門關(guān)閉的推薦方案為泵后設(shè)置單向塔防護的方案下泵后閥門以10 s一段直線規(guī)律關(guān)閉。
(1) 針對該工程的2個工況下計算結(jié)果表明,在泵后無防護措施時,當泵站機組在發(fā)生抽水斷電事故后,兩種流量工況下,管道內(nèi)均出現(xiàn)負壓。根據(jù)GB 50013-2018《室外給水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,輸水管道系統(tǒng)運行中,應(yīng)保證在各種設(shè)計工況下,管道不出現(xiàn)負壓。
(2) 本工程輸水管道敷設(shè)高程最高接近50 m,一旦加壓泵站抽水斷電,各受水廠需要迅速關(guān)閥,否則輸水干線將發(fā)生水柱分離;但由于本工程輸水干支線長度超過60 km,水體慣性巨大,快速關(guān)閥又可能產(chǎn)生巨大的水錘壓力,根據(jù)仿真計算結(jié)果得出,管道內(nèi)壓力極小值低于水體的汽化壓力,管道會出現(xiàn)大范圍液柱分離現(xiàn)象,或?qū)е聡乐氐膹浐纤N事故。
對于類似的長距離有壓管道輸水工程,抽水斷電后對系統(tǒng)影響較大,應(yīng)在設(shè)計初期充分考慮抽水斷電可能造成的管道內(nèi)負壓及水錘等事故情況,需要在合適的位置設(shè)置水力平壓措施,同時校核加壓泵站泵后閥關(guān)閥規(guī)律及各交水點關(guān)閥規(guī)律,確保工程運行安全。