劉丹楓

(惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 惠州 516000)

本研究將通過對(duì)管線的水力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,包括流速、流量、管道材質(zhì)等,并結(jié)合管線的幾何特征和操作條件,利用數(shù)值模擬方法對(duì)水錘現(xiàn)象進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。同時(shí),將探討合適的防護(hù)措施,包括設(shè)置緩沖裝置、增加閥門關(guān)閉時(shí)間、改善管道支撐等,以降低水錘的影響和風(fēng)險(xiǎn)。通過本研究的結(jié)果和建議,可以為豐達(dá)電廠長距離補(bǔ)給水管線的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行提供重要的技術(shù)支持。

1 工程簡介

本工程取水管道起點(diǎn)為現(xiàn)有取水泵站,經(jīng)平馬圍堤防-西枝江-紫溪村-木瀝河-淡水河堤防-三力廠區(qū)東側(cè)邊坡-紫溪路-惠泰路-演達(dá)路-鹿頸路-金達(dá)路,到達(dá)豐達(dá)電廠。工程主要建設(shè)內(nèi)容是新建取水管道約6.96 km(管徑為DN600)改造現(xiàn)有取水泵站。

2 水力過渡過程計(jì)算原理及水錘分析

2.1 波特性法的數(shù)學(xué)模型及公式原理

波特性法是基于物理上準(zhǔn)確的概念,即管道瞬變流是由壓力波的產(chǎn)生和傳播引起的,該壓力波的產(chǎn)生和傳播是管道系統(tǒng)中的干擾(閥門關(guān)閉,泵跳閘等)。壓力波,代表壓力和相關(guān)的流量的快速變化,以液體管道介質(zhì)的聲速傳播,并且波在管道系統(tǒng)中的所有不連續(xù)處(管道連接、泵、開放或封閉式調(diào)壓塔及水錘消除罐等)部分的傳輸和反射。壓力波也可以通過管壁阻力來改變,描述的是一種表示瞬態(tài)管道流動(dòng)的實(shí)際機(jī)制[1]。

2.1.1 管路系統(tǒng)組件

管路系統(tǒng)組件主要指閥門和水泵,兩者的計(jì)算模型如圖1所示。

圖中Q1,Q2和Q3,Q4分別為水錘波到達(dá)前后由組件流出的體積流量,H1和H2分別為組件上、下游的初始水頭,D1,D2分別為從上游和下游傳向組件的水錘波,D3,D4分別為D1和D2到達(dá)組件并發(fā)生相互作用后往組件上、下游傳播的水錘波,C1,A1和C2,A2分別為組件兩端管道的水錘波速和截面[2]。

圖1 管路系統(tǒng)組件(閥門和水泵)模型

2.1.2 管道聯(lián)接點(diǎn)

管道聯(lián)接點(diǎn)的計(jì)算模型如圖2所示,H1和H2分別為水錘波到達(dá)前、后三條管段聯(lián)接點(diǎn)處水頭,一個(gè)大小為dH的水錘波沿管段1傳播,并在聯(lián)接點(diǎn)的作用下,發(fā)展成三個(gè)獨(dú)立的水錘波dH1、dH2和 dH3,并分別沿三條管線傳播。R和T分別為Reflected 和Transmitted 的首字母,T1、T2和R1則分別表示初始水錘波經(jīng)聯(lián)接點(diǎn)后繼續(xù)向前傳播的和被反射的部分水錘波[3]。

圖2 管線聯(lián)接點(diǎn)計(jì)算模型

2.1.3 斷流彌合水錘

事故停泵水力過渡過程中,當(dāng)管內(nèi)某處的壓力降低至當(dāng)時(shí)溫度下水的飽和蒸氣壓時(shí),管內(nèi)水流將發(fā)生汽化并形成蒸汽空腔,水柱分離;高位水柱在慣性的作用下繼續(xù)向前流動(dòng),蒸汽空腔擴(kuò)大直至高位水柱停止流動(dòng)。在該過程中產(chǎn)生的巨大升壓很可能造成管道以及管路附件的嚴(yán)重?fù)p壞。在斷流彌合水錘的發(fā)生過程中,蒸汽空腔的形成、擴(kuò)展直至最終的潰滅都是一個(gè)非常復(fù)雜而微妙的過程。前人對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百年的研究,也相應(yīng)地建立多種計(jì)算模型,但有些模型完全忽略了水柱分離所引起的非線性效應(yīng)。DVCM模型最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的精簡易行以及對(duì)管路系統(tǒng)中所產(chǎn)生的水柱分離現(xiàn)象的多個(gè)物理特性的準(zhǔn)確再現(xiàn)[4]。

2.1.4 水錘防護(hù)設(shè)備

為防止停泵水錘事故的發(fā)生,通常采用的方法是利用水錘防護(hù)設(shè)備延遲并減緩水力瞬變的發(fā)生過程,管道水流降壓或者發(fā)生負(fù)壓時(shí)向管內(nèi)注氣或注水,而升壓時(shí)向管道外部排氣或排水。諸如這般的水錘防護(hù)設(shè)備主要有水擊泄放閥、空氣閥、單向調(diào)壓塔及雙向調(diào)壓塔等。圖3為水錘防護(hù)裝置的計(jì)算模型,其中 D1、D2和D3、D4分別為自上、下游傳播至水錘防護(hù)裝置和由水錘防護(hù)裝置向上、下游傳播的水錘波,H1、H3和He分別為水錘波到達(dá)前后裝置所在節(jié)點(diǎn)的水頭以及外界環(huán)境的水頭,Q1、Q2、Q3和Q4分別為水錘波作用前、后自水錘防護(hù)裝置流出的體積流量[5]。

圖3 水錘防護(hù)裝置計(jì)算模型

假設(shè)He恒定不變,在水錘防護(hù)裝置的作用過程中,水流隨著管內(nèi)壓力的變化經(jīng)裝置的孔口流進(jìn)或排出,此時(shí)可簡單地將該裝置視為一個(gè)阻力損失元件,通過水錘防護(hù)裝置的流量和水流關(guān)系可用下式表示:

H3-HE=CQ0∣Q0∣

水錘波作用后,管內(nèi)水流量為:

Q4=(2D1-2D2+F2Q2-F1Q1-F1Q0)/(F1+F2)

Q3=-(Q4+Q0)

2.2 波特性法涉及的公式

波特性法理論即拉格朗日波特性法(WCM-Wave Characteristic Method),來計(jì)算各節(jié)點(diǎn)不同時(shí)段的瞬態(tài)壓力值。其水錘波的特征方程基于彈性水柱理論,涉及如下兩個(gè)主要控制方程,即有壓管道非恒定流的兩個(gè)控制方程:運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程。

運(yùn)動(dòng)方程為:

連續(xù)方程為:

式中:H為測(cè)壓管水頭線,m;v為水流流速,m/s;g為重力加速度,m/s2;f為恒定流時(shí)的沿程阻力系數(shù);R為水力半徑;a為管道水擊波速。

3 瞬態(tài)水錘分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及水錘防護(hù)控制目標(biāo)

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:在Q=541 m3/h=150.28 l/s條件下,當(dāng)水泵揚(yáng)程H=35.47 m時(shí),WR2=14.73 N-m2;當(dāng)水泵揚(yáng)程H=30.67 m時(shí),WR2=12.2 N-m2;且當(dāng)水泵機(jī)組的效率越高,機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小。而水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小,則水錘防護(hù)特性越差。因此,我們決定采用最小的12.2 N-m2;比轉(zhuǎn)速都屬于靠近25的第1類file 1。

3.1.2 水錘防護(hù)控制目標(biāo)

穩(wěn)態(tài)管系最低水頭:管頂2 m 以上;即管中心2.3 m 以上。

依據(jù):GB 50265-2010 第7.3.2條:(出水管道)管頂線宜布置在最低壓力坡度線以下,壓力不小于0.02 MPa。

瞬態(tài)負(fù)壓控制目標(biāo): -2m @管系內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)。

依據(jù):GB 50013-2018 第7.3.6條文解釋:“應(yīng)將負(fù)壓控制在2 m以內(nèi)甚至消除”。瞬態(tài)正壓控制目標(biāo):穩(wěn)態(tài)最大壓力的1.3～1.5倍;或不高于管材的額定壓力。

依據(jù):GB 50013-2018:第7.3.6條:輸水管道系統(tǒng)水錘程度和水錘防護(hù)后的控制效果應(yīng)采用瞬態(tài)水力過渡過程計(jì)算方法進(jìn)行分析。采取水錘綜合防護(hù)設(shè)計(jì)后的輸水管道系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)水柱分離,瞬時(shí)最高壓力不應(yīng)大于工作壓力的1.3～1.5倍。

水泵轉(zhuǎn)速控制目標(biāo):最大反轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍且不超過2 min。

3.2 零流速止回閥+水錘消除罐+水擊泄放閥斷電停泵水錘分析

計(jì)算前提條件及參數(shù)如下:

泵后止回閥零流速關(guān)閥+2×15 m3水錘消除罐@434m+4個(gè)DN100水擊泄放閥安裝在4根水泵支管線上止回閥閥后(但暫時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài))+沿線無空氣閥;水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是WR2=12.2 N-m2;穩(wěn)態(tài)工況=4×400 m3/h @65.4 m,工頻100%運(yùn)行;4臺(tái)水泵都是第3s同時(shí)斷電停泵;

原先的單向調(diào)壓塔設(shè)置維持不變;但其連接管累計(jì)補(bǔ)水阻抗Rin～14 s2m-5。其中連接管局損累計(jì)=出口1+止回閥3+三通0.5=4.5;再加1個(gè)彎頭;連接管管徑d=2×DN300≈DN424.3 mm。

零流速關(guān)閥,1#止回閥節(jié)點(diǎn)水擊壓力變化曲線:最低10.3m@4s,首相降壓68.6-10.3=58.3 m,未在沿線造成瞬態(tài)負(fù)壓;關(guān)閥水錘峰值=107.8 m@5.4s;低谷與波峰時(shí)間差≈1.4s,跟水錘波在止回閥與水錘消除罐之間的往返時(shí)間2×434 m/1200=0.72 s大約是2倍的關(guān)系。這應(yīng)該是首相降壓波與水錘消除罐小容積液面之間的不完全反射波;其峰值107.8 m由低谷值反射形成,未疊加止回閥關(guān)閥水錘(零流速止回閥為無水錘止回閥)﹔但后續(xù)的升壓波峰值低于穩(wěn)態(tài)壓力,震蕩衰減。

該升壓幅度達(dá)到了107.8/68.6=1.571倍,超出1.3～1.5倍的相對(duì)升壓幅度,但絕對(duì)值僅為39.2 m,且未超過管材的額定壓力如PN16。

但是,欲消除這個(gè)57%的升壓幅度,難度較大:

1)其源頭是首相降壓波的低谷10.3m@4s,由停泵引起;水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小,低谷越低;初始流速越大,低谷越低;水錘波速越大,低谷越低。

2)降壓波與500 m 外的水錘消除罐的小容積水面之間形成中等強(qiáng)度的壓力震蕩,把低壓波反射成高壓波;低谷越低,波峰越高;距離越長,峰值越高。

3)若欲采用止回閥緩閉內(nèi)泄水方式泄除該高壓,則需要較大的緩閉幅度和內(nèi)泄水總量才能達(dá)到目的;且會(huì)導(dǎo)致水泵反轉(zhuǎn)嚴(yán)重,尤其是當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的時(shí)候。

若欲采用水擊泄放閥外泄水方式泄除該高壓,則需要水擊泄放閥具有合適的泄水能力及其較快的瞬態(tài)響應(yīng)特性;而且,因?yàn)樗畵粜狗砰y的回座壓差在20%或起碼15 m 以上,即水擊泄放閥的設(shè)定壓力起碼處于最高穩(wěn)態(tài)壓力的1.25倍以上;再加上不快的瞬態(tài)響應(yīng)開閥時(shí)間起碼0.5～1.5 s延時(shí),峰值壓力很難被削減到1.3倍以內(nèi)。

3.3 止回閥緩閉+水錘消除罐+單向調(diào)壓塔斷電停泵水錘分析

零流速止回閥改為先快閉后緩閉的兩階段止回閥。止回閥支管段上4個(gè)DN100的水擊泄放閥被手動(dòng)關(guān)閉。沿線未安裝任何通氣閥,因?yàn)樵谒N消除罐一級(jí)保護(hù)措施條件下,二級(jí)防護(hù)措施暫時(shí)用不上。

止回閥采用兩階段關(guān)閥-緩閉方式:

接近于零流速時(shí)刻點(diǎn)(即 1.0 s)快閉87%(即剩余開度13%);然后6.0 s (合計(jì)10 s)緩閉13%,合計(jì)關(guān)閥歷時(shí)7 s。此關(guān)閥速度既不能太慢,也不能太快; 1.0 s是零流速時(shí)刻點(diǎn);快閉幅度在95%～86%區(qū)間,以87%較好;若緩閉時(shí)間太長,會(huì)導(dǎo)致水柱倒流,止回閥產(chǎn)生關(guān)閥水錘;以6～7 s 歷時(shí)較好。

(1)水錘消除罐位置后移,導(dǎo)致泵后止回閥關(guān)閥規(guī)律略有變化,可以采用零流速止回閥,但因?yàn)橹够亻y與水錘消除罐之間的封閉補(bǔ)水抬壓效果,導(dǎo)致零流速關(guān)閥本身產(chǎn)生約107.8 m的峰值@5.4 s,相當(dāng)于止回閥關(guān)閥水錘再疊加停泵水錘的反射波后合成的升壓幅度達(dá)到大約107.8-68.6=39.2 m,超出穩(wěn)態(tài)壓力的50%。在外置型水擊泄放閥后保護(hù)作用下,峰值被降低到90 m左右,也是可以接受的方案。

(2)采用接近于零流速關(guān)閥的先快后慢式兩階段關(guān)閥方式,可以起到既完全消除瞬態(tài)負(fù)壓,又不產(chǎn)生較大瞬態(tài)升壓的效果,但水泵出現(xiàn)少許反轉(zhuǎn),也是一個(gè)接近于零流速關(guān)閥的較好的方案。

(3)在水錘消除罐后移434 m條件下,止回閥也可以采用零流速關(guān)閥+內(nèi)泄水方式(自帶功能)及補(bǔ)充后保護(hù)的外泄水的水擊泄放閥配合,實(shí)現(xiàn)上述先快后慢式兩階段關(guān)閥所能達(dá)到的效果。只是,因?yàn)閮?nèi)泄水,水泵出現(xiàn)微小反轉(zhuǎn),大約-200 rpm?？赡苁亲罴逊桨浮?/p>

4 瞬態(tài)水錘分析結(jié)論與建議

停泵水錘的防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)放在負(fù)水錘的防護(hù)上,泵后止回閥在此方面起不大作用。適合選擇零流速止回閥作為泵后止回閥,能簡化系統(tǒng)水錘問題。在泵站需設(shè)置泵后操作閥,如電動(dòng)蝶閥或電動(dòng)球閥,用于正常的水泵啟停和切換。復(fù)合式空氣閥在瞬態(tài)負(fù)壓防護(hù)方面不太適用,可能對(duì)水錘產(chǎn)生不利影響。管線通氣閥需兼顧通氣和負(fù)水錘防護(hù)功能,變孔口全功能通氣閥或注汽微排閥+排氣閥組合是理想選擇。建議設(shè)置適當(dāng)尺寸的集氣頸,最佳方案為DN600管線采用D600×H600的集氣頸。停泵負(fù)水錘的解決方案可增加水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或設(shè)置水錘消除罐。在啟泵過程中,需要注意電機(jī)超負(fù)荷工況,可考慮設(shè)置旁通管及調(diào)節(jié)閥或改為調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥。正常的啟泵、停泵或切換過程中,宜以關(guān)閥85%～95%為度,結(jié)合水泵特性曲線做相應(yīng)決策?？展艹渌^程需要遵守合理的操作規(guī)程,注意排氣孔口設(shè)置和流速控制,防止沖擊和壓差過大。

5 結(jié)語

豐達(dá)電廠長距離補(bǔ)給水管線的水錘計(jì)算和防護(hù)研究對(duì)于保障管線的安全運(yùn)行具有重要意義。通過本研究可以全面評(píng)估管線的水力性能,預(yù)測(cè)水錘現(xiàn)象的發(fā)生和影響,并提出相應(yīng)的防護(hù)建議。

(1)合理的水錘防護(hù)措施可以有效減少水錘帶來的風(fēng)險(xiǎn),確保管線和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行,建議在管線設(shè)計(jì)中充分考慮水錘計(jì)算和防護(hù)措施,包括合理選擇管道材質(zhì)和直徑、設(shè)置緩沖裝置、增加閥門關(guān)閉時(shí)間等。

(2)在施工過程中,要嚴(yán)格按照防護(hù)方案進(jìn)行操作,并進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)和調(diào)整。在管線投入運(yùn)行后,定期檢查和維護(hù)管線設(shè)施,確保防護(hù)措施的有效性。