王朝昊

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510610）

我國(guó)水資源的分布不均衡,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域無(wú)水可用的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了人民正常生產(chǎn)和生活。為解決這一問(wèn)題,人們通常會(huì)布置引水管道進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水,但往往由于地勢(shì)起伏的原因,僅依靠水自流是無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的,因此需設(shè)置取水泵站對(duì)管道內(nèi)水流進(jìn)行加壓,但由于管路距離較長(zhǎng),常常會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象,為保證輸水管網(wǎng)的安全性,需進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析,以消除水錘帶來(lái)的不良影響[1]。

本文以深汕特別合作區(qū)拓展區(qū)供水（Ⅰ）期水陂及配套供水工程為研究背景,針對(duì)泵址至最高點(diǎn)的輸水管線進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析,進(jìn)而提出合理的調(diào)壓措施,以保證輸水管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程概況

本泵站全系統(tǒng)主要由進(jìn)出水池、泵組、引水鋼管等組成,進(jìn)水管布置是先有一根總管引至廠房?jī)?nèi),然后再分管接至各個(gè)泵組?？偣荛L(zhǎng)約5 m,管徑1.1 m；出口支管長(zhǎng)度約為5 m,管徑0.9 m；泵站至最高點(diǎn)的管線總長(zhǎng)約6.72 km, 管徑為2.2 m。泵站配套3 臺(tái)（2 主1 備）臥式單級(jí)雙吸離心泵,水泵揚(yáng)程范圍為39.6 m～75.9 m,水泵額定轉(zhuǎn)速為980 r/min,泵組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為424 kg·m2。

2 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算原理及數(shù)值模型

2.1 有壓管道恒定流數(shù)值模型

本取水泵站輸水管道材質(zhì)為鑄鐵管,輸水方式為泵站加壓。本文采用伯努利能量方程進(jìn)行計(jì)算[2],公式為：

式中：Z1=1854 m（進(jìn)水池水位）；Z2=1895 m（出水池水位）；P1、P2均為大氣壓強(qiáng),即105Pa；v=0.4 m/s（流速）；hw經(jīng)初步估算,約為7 m（水力損失）。

2.2 水錘計(jì)算特征相容方程

水流運(yùn)行狀態(tài)基本計(jì)算方程為：

式中：H 為揚(yáng)程,68 m；Q 為流量,5500 m3/h；D 為管徑,2.2 m；A 為面積,3.8 m2；t 為時(shí)間；a 為波速；f 為摩擦系數(shù),0.5；β約等于37°。

2.3 水泵節(jié)點(diǎn)控制方程

對(duì)水泵全特性曲線作如下轉(zhuǎn)換處理：

式中：W 為揚(yáng)程,68 m；a 為水泵轉(zhuǎn)速 ,980 r/min；k1、k2為安全系數(shù),取1.1、0.5：β為水力力矩；y 為導(dǎo)葉開(kāi)度,+10°。

本文針對(duì)海豐取水泵站,基于流體力學(xué)瞬變流理論,分別建立了有壓恒定流、水泵、水錘計(jì)算特征、水泵等控制方程,確立了水力計(jì)算邊界條件,并采用AFT 計(jì)算軟件模擬出該取水泵站全系統(tǒng)計(jì)算模型[3]。

3 無(wú)防護(hù)措施下水力過(guò)渡計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況選擇

海豐取水泵站輸水線路在實(shí)際運(yùn)行中有多種運(yùn)行工況,其中對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定最具危害的為泵組忽然斷電且閥門沒(méi)有動(dòng)作的工況,該工況下會(huì)帶來(lái)管線內(nèi)部的壓力及流量波動(dòng),當(dāng)壓力峰值超過(guò)管線所能承受的極限時(shí),通常會(huì)發(fā)生爆管現(xiàn)象,對(duì)管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成惡劣影響。本文通過(guò)對(duì)比分析,最大楊程工況下管道壓力值為最大,因此本次選擇最大揚(yáng)程為計(jì)算工況,并對(duì)管線進(jìn)行水力過(guò)渡計(jì)算分析。最大揚(yáng)程工況原始計(jì)算參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 最大揚(yáng)程水泵事故停機(jī)計(jì)算參數(shù)表

本文按照進(jìn)出水池、泵組、閥門關(guān)閉規(guī)律等相應(yīng)參數(shù)來(lái)建立計(jì)算模型,其中輸水管道模擬按照實(shí)際所布置的管中心高程和樁號(hào)之間的管長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)置,以保證與管路實(shí)際走向基本一致。因計(jì)算模型過(guò)長(zhǎng),本次僅展示進(jìn)水池-泵房的成果,具體見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型圖

3.2 二臺(tái)主水泵事故停機(jī)水力過(guò)渡分析

根據(jù)以上計(jì)算工況選擇分析,本次計(jì)算工況為兩臺(tái)主水泵同時(shí)抽水?dāng)嚯?閥門拒絕動(dòng)作。輸水管線中管內(nèi)壓力分布見(jiàn)圖2；水頭與樁號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖3；泵轉(zhuǎn)速變化情況見(jiàn)圖4。

圖2 管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線

圖3 管線測(cè)壓管水頭包絡(luò)線

圖4 水泵轉(zhuǎn)速變化曲線

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,在無(wú)調(diào)壓措施時(shí),從管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線可以看出,輸水管線中最大壓力為103.74 m,樁號(hào)位置為4+083,根據(jù)規(guī)范《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50265-2022）要求,最大壓力應(yīng)不超過(guò)額定壓力1.5 倍,即112.5 m,經(jīng)比較,尚未超過(guò)所允許的最大壓力；輸水管線中最小壓力為-25.43 m,根據(jù)規(guī)范要求管線應(yīng)不出現(xiàn)負(fù)壓,因此不滿足相關(guān)要求。

從水泵轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出,水泵抽水?dāng)嚯姽r下,因受管道內(nèi)水回流沖刷葉輪,泵組的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定值的1.2 倍,按照規(guī)范要求泵組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)不超過(guò)1.2 倍,即1176 r/min,因此不滿足相關(guān)要求。

綜合以上對(duì)管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線和水泵轉(zhuǎn)速變化曲線分析,本工程在無(wú)調(diào)壓措施時(shí),無(wú)法滿足規(guī)范要求,因此需采取相應(yīng)措施,減少和消除因水錘現(xiàn)場(chǎng)造成的增壓和負(fù)壓,進(jìn)而保護(hù)管網(wǎng)安全穩(wěn)定。

4 有防護(hù)措施下水力過(guò)渡計(jì)算分析

在工程的調(diào)壓措施中,通常會(huì)選擇設(shè)置空氣罐和單向塔,但結(jié)合海豐取水泵站工程輸水距離較遠(yuǎn),管徑較大且地形起伏多變等特點(diǎn),若選擇設(shè)置空氣罐,則罐體體積大,且安裝運(yùn)輸很不方便,因此本文選擇沿途擇點(diǎn)設(shè)置單向塔進(jìn)行調(diào)壓,原因在于可以不受地形、安裝基礎(chǔ)和規(guī)格的影響,可按照實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì),提高工程經(jīng)濟(jì)性。

4.1 單向塔布置方案

在輸水管線中設(shè)置單向塔的原則為沿程無(wú)負(fù)壓,在理論分析中,其高度不受限制,且越高對(duì)管路的保護(hù)距離越長(zhǎng),但高度太高,單向塔一旦出現(xiàn)較大的水錘現(xiàn)象,很有可能會(huì)誘發(fā)爆管事故,為避免該事故的發(fā)生及考慮經(jīng)濟(jì)性,單向塔高度應(yīng)在10 m 以下。通過(guò)對(duì)工程的具體理論分析,本工程共需設(shè)置兩座單向塔,其位置見(jiàn)表2。

表2 單向塔布置方案

4.2 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

本次按照所設(shè)單向塔進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及模型建立,另在水泵出口設(shè)置液控蝶閥,采用兩段折線關(guān)閉規(guī)律：5 s 由全開(kāi)快速關(guān)閉至10%開(kāi)度,55 s 慢關(guān)至0 開(kāi)度,總關(guān)閉時(shí)間60 s。計(jì)算工況仍為最大揚(yáng)程下2 臺(tái)主水泵并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)斷電,其中該工況下管內(nèi)壓力分布見(jiàn)圖5；水頭與樁號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖6；泵組出口壓力變化見(jiàn)圖7；水泵轉(zhuǎn)速變化見(jiàn)圖8；1#和2#單向塔液位變化分別見(jiàn)圖9 和圖10。

圖5 管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線

圖6 管線測(cè)壓管水頭包絡(luò)

圖7 水泵出口壓力變化曲線

圖8 水泵轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9 1#單向塔液位變化過(guò)程線

圖10 2#單向塔液位變化過(guò)程線

從管線內(nèi)水壓力包絡(luò)線可以看出：管線水擊壓力升高,最大壓力102.63 m,未超過(guò)112.5 m,管線最小壓力為0.44 m,管線中沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)壓；從水泵轉(zhuǎn)速變化曲線可以看出：水泵最大反轉(zhuǎn)速度為-635.73 r/min,未超過(guò)額定轉(zhuǎn)速1.2 倍,且水泵出口壓力未出現(xiàn)負(fù)壓；從單向塔液位變化過(guò)程線可以看出：1#單向塔的起始水位為6.0 m,輸水管線平穩(wěn)運(yùn)行后水位維持在5.2 m；此時(shí)2#單向塔的起始水位為5.2 m,平穩(wěn)后的水位為2.6 m；綜合以上分析,在設(shè)置相應(yīng)調(diào)壓措施后,管線的各項(xiàng)值均滿足規(guī)范計(jì)算控制值要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該泵站系統(tǒng)有無(wú)保護(hù)措施過(guò)渡過(guò)程初步計(jì)算成果分析,該泵站做以下防護(hù)措施：當(dāng)在每臺(tái)水泵出口設(shè)置1 個(gè)兩階段關(guān)閉液控蝶閥時(shí),在總管樁號(hào)DQ1+309.465 處設(shè)置1座直徑2.5 m,水位高度6 m,體積29.45 m3的單向塔；在總管樁號(hào)DQ6+264.162 處設(shè)置1 座直徑3.5 m,水位高度5.2 m,體積50 m3的單向塔；2 臺(tái)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)突然掉電后,管線升壓、負(fù)壓和水泵倒轉(zhuǎn)都滿足計(jì)算控制值要求。