文/朱軼菲 徐秀生

本文作者朱軼菲供職于上海連成（集團(tuán)）大連化工泵制造有限公司，徐秀生沈工泵（沈陽）集團(tuán)有限公司。

本文結(jié)合某二期供水工程案例，總結(jié)管線模擬工況仿真分析計(jì)算以及水錘預(yù)防有效措施，對(duì)同類工程起到一定的借鑒與參考作用——國內(nèi)某二期供水工程管道線路總長50?km,?工程起點(diǎn)為中法加壓站，終點(diǎn)為八面城配水廠。工程選用DN600~DN700球墨鑄鐵管，在管道上設(shè)置了液控止回蝶閥、排氣閥等。根據(jù)輸水管道布置情況，經(jīng)對(duì)泵站進(jìn)行水力過渡過程仿真計(jì)算，結(jié)果表明，水泵最高反轉(zhuǎn)速度不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過2?min；系統(tǒng)最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位沒有出現(xiàn)水柱斷裂，發(fā)生水錘時(shí)管線基本沒有負(fù)壓，個(gè)別點(diǎn)有負(fù)壓但很低，不致發(fā)生水柱拉斷現(xiàn)象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗(yàn)壓力。

供水工程簡述

某供水工程管道起點(diǎn)為中法加壓站，終點(diǎn)為八面城配水廠。首部與中法加壓站泵站出口相連，尾部與昌圖八面城引配水廠清水池相連。總長約51 km。供水范圍為八面城鎮(zhèn)、曲家店鎮(zhèn)、平安堡鎮(zhèn)、大洼鎮(zhèn)、八面城鎮(zhèn)、朝陽鎮(zhèn)、四合鎮(zhèn)、老四平鎮(zhèn)、毛家店鎮(zhèn)、昌圖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、泉頭鎮(zhèn)、雙廟子鎮(zhèn)、四面城鎮(zhèn)、鷺樹鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)以及下二臺(tái)鎮(zhèn)，如圖1、2所示。

圖1 供水工程管道路線圖

圖2 加壓站內(nèi)水泵布置圖

中法加壓站引入八面城的二期供水工程設(shè)計(jì)供水能力為3.5×105m3/d。加壓站內(nèi)水泵情況水泵共6臺(tái)，選用高效節(jié)能型中開式雙吸泵，如圖3所示。

圖3 高效節(jié)能型中開式雙吸泵

一期供水工程：總水量為560.26?m3/h供水范圍八面城鎮(zhèn)；水泵 2臺(tái)（Q=300 m3/h，H=30?m，P=45?kW），兩用一備，變頻；

二期供水工程：總水量為1?463.44m3/h， 供 水 范 圍 依 舊是八面城鎮(zhèn)。一期供水工程的水 泵 更 換 為 2臺(tái)（Q=300?m3/h，H=70?m，P=132?kW）， 與水泵2臺(tái)（Q=450?m3/h，H=70?m，P=160?kW）并聯(lián)運(yùn)行，兩組水泵，每組都是兩用一備，變頻。

輸水管道靜態(tài)水力分析

調(diào)速范圍

中法加壓站引入八面城的二期供水工程設(shè)計(jì)供水能力 為 3.5×105m3/d， 管 材 為DN600~DN700球墨鑄鐵管，首部與中法加壓站泵站出口相連，尾部與昌圖八面城引配水廠清水池相連?？傞L約51 km。輸水管道上共設(shè)置了近50個(gè)排氣閥。全線采用球墨鑄鐵管，管道內(nèi)徑為DN600~DN700 mm。管道公稱壓力為大于1.0?MPa，試驗(yàn)壓力為工作壓力加 0.5 MPa即P+0.5MPa。

根據(jù)計(jì)算在水庫水位為最低水位時(shí)，考慮泵站損失和出水自由水頭，揚(yáng)程在70 m左右。靜態(tài)計(jì)算所得的管線特性（考慮制高點(diǎn)影響）及調(diào)速水泵不同轉(zhuǎn)速的特性。同一臺(tái)泵，當(dāng)葉輪直徑不變時(shí)，其性能可按以下公式換算。

按Q1/Q2=n1/n2，H1/H2=(n1/n2)2計(jì)算。按設(shè)計(jì)流量水泵轉(zhuǎn)速在95%可以滿足要求。根據(jù)水力計(jì)算水泵揚(yáng)程受制高點(diǎn)控制，工況點(diǎn)不能右移，在水位上升時(shí)可再調(diào)低水泵轉(zhuǎn)速。調(diào)速范圍控制在85%~95%。

水錘模擬工況預(yù)防采取的措施

輸水泵站水擊預(yù)防采取的措施是：每臺(tái)泵出口設(shè)置DN700的液控緩閉止回蝶閥，在泵站出口總管上設(shè)置DN350水擊預(yù)放閥，輸水管道上設(shè)置排氣閥。

水錘分析時(shí)按水庫最低水位時(shí)的水力條件作為水錘分析的初始條件，目前基本采用美國肯塔基大學(xué)DonJ.Wood和JamesE.Funk教授編制的“帶控制水錘裝置的管網(wǎng)的非穩(wěn)定流計(jì)算機(jī)分析”軟件及水錘和瞬態(tài)分析軟件，設(shè)定幾種情況進(jìn)行。

管道系統(tǒng)中發(fā)生不正常情況時(shí)，如關(guān)閘、掉泵等，導(dǎo)致壓力與流量迅速變化，產(chǎn)生壓力波并發(fā)生傳播，形成不穩(wěn)定流。壓力與流量間的變化關(guān)系與壓力波傳播方式有關(guān)，在此基礎(chǔ)上建立計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)學(xué)關(guān)系式，編制軟件。

泵站水力過渡過程分析計(jì)算

計(jì)算軟件

泵站水錘計(jì)算采用水錘和瞬態(tài)分析軟件。其軟件的編制采用“波面方法”(WavePlanMethod)：泵站水力過渡過程分析計(jì)算需對(duì)穩(wěn)態(tài)工況和出口設(shè)置兩階段關(guān)閉閥門的有水錘防護(hù)措施兩種工況分別計(jì)算。

計(jì)算結(jié)論

通過水錘和瞬態(tài)分析軟件計(jì)算顯示，2臺(tái)小泵（Q=300 m3/h，H=70 m，P=132 kW） 與 2臺(tái)大 泵（Q=450 m3/h，H=70 m，P=160 kW）并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，總輸水量穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為Qh=1 623.6 m3/h，每天總輸水量Qd=38 966.4 m3/d。

水錘防護(hù)措施主要是水泵出口設(shè)置兩階段關(guān)閉控制閥及壓力管道上布置補(bǔ)排氣閥。經(jīng)過對(duì)泵站進(jìn)行水力過渡過程仿真計(jì)算，結(jié)果表明，水泵最高反轉(zhuǎn)速度不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過2 min；系統(tǒng)最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位沒有出現(xiàn)水柱斷裂，滿足相關(guān)規(guī)范要求。泵站采取的水錘防護(hù)措施基本可行，計(jì)算過程如下。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

1.4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)的壓力線，如圖4所示。

圖4 4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)的壓力線

2.4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)的水力坡度線：如圖5所示，水力坡度線可以顯示水泵出口控制閥兩階段關(guān)閉運(yùn)行工況。

圖5 4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)的水力坡度線

3.4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，突然停泵兩階段關(guān)閉閥門的壓力線：泵站四臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，事故使全部機(jī)組停機(jī)，閥門關(guān)閉規(guī)律采用兩階段線性關(guān)閉，其中0~5 s關(guān)80%，5~45 s全關(guān)。經(jīng)計(jì)算，管線最大壓力為85 m，出現(xiàn)在管線15 km處，管線未出現(xiàn)水柱斷裂和汽化現(xiàn)象。

4.4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，突然停泵兩階段關(guān)閉閥門水力坡度線，如圖7所示。

圖6 4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，突然停泵兩階段關(guān)閉閥門的壓力線

圖7 4臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，突然停泵兩階段關(guān)閉閥門水力坡度線

結(jié)果分析

水錘防護(hù)措施主要是水泵出口設(shè)置兩階段關(guān)閉控制閥及壓力管道上布置補(bǔ)排氣閥。經(jīng)對(duì)泵站進(jìn)行水力過渡過程仿真計(jì)算，結(jié)果表明，水泵最高反轉(zhuǎn)速度不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過2 min；系統(tǒng)最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位沒有出現(xiàn)水柱斷裂，發(fā)生水錘時(shí)管線基本沒有負(fù)壓，個(gè)別點(diǎn)有負(fù)壓但很低，不致發(fā)生水柱拉斷現(xiàn)象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗(yàn)壓力。滿足相關(guān)規(guī)范要求。泵站采取的水錘防護(hù)措施基本可行。

最后，根據(jù)輸水管道布置情況以及供水工程水錘采取的預(yù)防措施，對(duì)停泵水擊和間接水擊進(jìn)行了分析，最后采取每臺(tái)泵出口設(shè)置 DN700液控止回蝶閥，可以通過預(yù)先時(shí)間設(shè)定，實(shí)現(xiàn)液控止回蝶閥緩閉，來消除水擊。

另外，在泵站出口總管上設(shè)置DN300水擊預(yù)放閥，來消除正壓水擊和負(fù)壓水擊，液控止回閥和水擊預(yù)放閥共同作用來保護(hù)泵站免于水擊的方案，在輸水管道上設(shè)置排氣閥以消除停泵水擊和斷流水擊，使管線正水錘壓力均小于管線試驗(yàn)壓力。

結(jié)論

昌圖二期供水工程應(yīng)用案例證明，水泵最高反轉(zhuǎn)速度要不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不超過2 min；系統(tǒng)最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.3~1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位沒有出現(xiàn)水柱斷裂，發(fā)生水錘時(shí)管線基本沒有負(fù)壓，個(gè)別點(diǎn)有但是負(fù)壓很低，不致發(fā)生水柱拉斷現(xiàn)象。管線正水錘壓力一般均小于管線試驗(yàn)壓力，泵站及管線水錘壓力控制在允許范圍內(nèi)，工程所采取的水錘預(yù)防措施效果良好。

通過對(duì)管線模擬工況仿真分析與水力過渡過程仿真計(jì)算以及水錘預(yù)防等有效措施，能夠?yàn)橥惞┧こ烫峁┮欢ǖ慕梃b與參考。 ●