大型泵站疊壓輸水水錘防護研究

韓建軍 張旭峰 陳紅剛

(大連市供水有限公司 116021)

我國由于水資源空間分布的不平衡以及區域用水量的差異，一些城市或者地區不得不從外地調水，許多長距離輸水工程已經投入應用，并且更多的長距離輸水工程正在或即將建設，其中采用管線的輸水方式因其受地形限制小、水量損耗小、水質不易受污染等優點越來越被廣泛采用，各種情況的管段壓力情況也在出現。在建立水錘防護設備模型的基礎上，本研究結合工程實例，通過延時關閉止回閥，分析了經過加壓泵站加壓，且起始端有較高余壓的輸水管線的水錘防護效果。

1 特征線法及水錘防護設備

1.1 水錘求解方法——特征線法

水錘計算方法較多，本研究采用特征線法。特征線法的基本原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。水錘計算的特征差分方程為式(1)～式(4)。

QL1、QL2——管道L1、L2 兩點的瞬態流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 兩點的瞬態水頭;

CT、Cn——水錘特征沿程的特征參量;

Ca——管道的特征常數;

Cf——管道的摩阻性常數;

g——重力加速度;

a——水錘波速;

f——管道的阻力系數;

Δt——選定時間步長;

D——管道直徑;

A——管道過流面積。

針對長距離、起伏大的輸水管線，水錘防護設備有雙向調壓塔、單向調壓塔、真空吸氣閥。針對該項目采用了單向調壓塔。

1.2 水錘防護設備——單向調壓塔

單向調壓塔在泵站附近或管道的適當位置修建，單向調壓塔的高度低于該處的管道壓力。單向調壓塔的注水管上裝設有逆止閥，當管道內壓力低于塔內水位時，調壓塔向管道補水，防止水柱分離，避免彌合水錘。單向調壓塔的幾何高度及容積較雙向調壓塔可大大降低，其幾何高度及容積相對較小，經濟合理，但其對停泵水錘以外的水錘如關閥水錘的降壓作用有限。由于單向調壓塔是靠塔內水位與管道內壓力差，在重力作用下進行補水防止水柱分離的，因此其保護范圍僅為塔內最高水位以下的管道部分。此外單向調壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導致發生較大的水錘。計算公式如下:

當Hp3≤Hp，Qp3=0 時

以上式中 Qp1——流經調壓塔前管內流量，m3/s;

Qp2——流經調壓塔后管內流量，m3/s;

Qp3——流出調壓塔流量，m3/s;

Ca——調壓塔出口流量系數;

AP——補水短管的過流面積，m2;

HP3——調壓塔水位，m;

HP——管中壓力，m;

Smax——調壓塔內浮球閥控制最高水位(常數)，m;

Z——塔相對于基準面高度，m;

Q3——塔內流量，m3/s;

Δt——調壓塔出流時間，s;

F——塔斷面面積，m2。

2 水錘防護方案實例

2.1 工程簡介

大伙房水庫輸水應急入連工程設計輸水流量3510L/s。該項目分析其中鞍山加壓泵站至蓋州加壓泵站段的水錘防護問題。該段長度為122.5km，全線設置空氣閥325處，每處安裝DN200 空氣閥2個，共計650個DN200 空氣閥，單向調壓塔兩座。其中單向調壓塔分別設在樁號42+171 和107+085 處。樁號42+171 處調壓塔最高水位為38.11m，最低水位為20m，直徑為6.2m，容積為543m3。樁號107+085 處調壓塔最高水位為32.13m，最低水位為20m，直徑為3.57m，容積為121m3。鞍山加壓泵站采用壓力罐吸水，所以首端有較高壓力。

該工程穩態計算結果見圖1。

圖1 管線穩態運行狀況

分析可知:管線穩態運行時，管線各處自由水壓小于承壓能力，管線承壓能力滿足穩態需求，但首端壓力很高。

2.2 水錘防護方案

在現有設備條件下，事故停泵時不關閉止回閥，水錘防護效果見圖2。

圖2 事故停泵水錘后果

分析可知:事故停泵時最大壓力(自由水頭)超出1.5倍承壓能力，泵后最小壓力(自由水頭)達到-10m，會發生水柱分離。

研究針對關閉止回閥，分別給出兩個可行的水錘防護方案，進行比較。

2.2.1 方案一(止回閥不延時關閉)

在鞍山泵站各水泵出口壓水管安裝緩閉液控止回閥，事故停泵時，該閥門的控制方式為前120s 關閉80%，600s以后再逐步全部關閉(時間不少于900s)。鞍山加壓泵站出口設置4臺DN400的壓力波動預止閥。計算模擬時，管線全線不設空氣閥，只設兩座調壓塔。在該水錘防護設備方案下，進行停泵水錘計算模擬，計算結果見圖3。

圖3 方案一事故停泵管道壓力

分析可知:事故停泵時，管線末段小段負壓值較嚴重，其余管線最小水頭滿足承壓能力要求，不滿足防護需求。

2.2.2 方案二(止回閥延時關閉)

鞍山加壓泵站內各水泵壓水管上安裝液控緩閉止回閥一個，事故停泵后止回閥最優關閉時間為:先延時100s，100～108s 關閉80%，220s 內關閉100%;

在最大流量(工況1)下，根據要求需模擬6種不同瞬態工況水錘，見下表。

6種瞬態工況表

2.2.2.1 Case 1(爆管工況)水錘模擬計算

快速關閉所有水泵及閥門時水錘模擬計算結果見圖4。

圖4 Case 1 水錘模擬計算結果

分析可知:事故停泵時全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.2 Case 2(泵站掉電停機工況)水錘模擬計算

泵站掉電停機時水錘模擬計算結果見圖5。

分析可知:事故停泵時全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.3 Case 3(單泵事故停機工況)水錘模擬計算

單泵事故停機時水錘模擬計算結果見圖6。

圖5 Case 2 水錘模擬計算結果

圖6 Case 3 水錘模擬計算結果

分析可知:事故停泵時最大壓力(自由水頭)超出承壓能力，但未超出1.5 倍承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.4 Case 4(兩泵事故停機工況)水錘模擬計算

兩臺水泵事故停機時水錘模擬計算結果見圖7。

圖7 Case 4 水錘模擬計算結果

分析可知:事故停泵時全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵后壓力滿足要求。

2.2.2.5 Case 6(多泵事故停機工況)水錘模擬計算

多泵事故停機極限為4臺水泵同時停機，在該極限工況下水錘模擬計算結果見圖8。

分析可知:事故停泵時全線最大壓力(自由水頭)均未超出承壓能力，全線負壓滿足要求。水泵轉速及水泵泵后壓力滿足要求。

圖8 Case 5 水錘模擬計算結果

2.3 方案優選

根據上述計算結果可知，方案二能有效地起到水錘防護的作用。

3 結 論

通過分析事故停泵時，止回閥不延時和延時關閉，通過大量計算分析，對于通過壓力罐吸水、起始端具有高壓的長距離輸水管線來說，在設置水錘防護設備的基礎上，通過延時關閉泵后止回閥，能充分利用首端壓力罐的壓力，有效緩解事故停泵時水錘問題。