管線改造及調節水泵轉動慣量的長輸水管線水錘防護

韓建軍 唐 迪 王新亮

(大連市供水有限公司 116021)

我國長距離輸水管線水錘防護設備價格昂貴，不適合大量使用。本研究結合工程實例，通過模擬計算長輸水管線傳統水錘防護、管線改造水錘防護及調節水泵轉動慣量水錘防護方案，經多方案技術經濟比較后確定最優水錘防護方案。

1 水錘防護措施原理

本研究長距離輸水管線水錘防護措施有設置單向調壓塔、調節水泵轉動慣量、單線改建為雙線［1］。

1.1 單向調壓塔

計算公式為

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。

1.2 水泵轉動慣量

轉動慣量

以上式中 J——水泵轉動慣量，kg.m2;

G——剛體的總重量，N;

D——(回轉)直徑，m;

g——重力加速度，N/kg;

M反——機組軸上所受減速阻矩;

當發生停泵水錘時，機組轉子轉動慣量J 越大，角減速度的絕對值越小，即機組轉速降低速度越慢，避免了管路中流速和水壓的急劇降低，改善了水力過渡過程中的壓力猛烈波動狀況，從而達到停泵水錘防護的效果。

1.3 單線改建為雙線

將原單線長輸水管線改建為雙線輸水，在一定程度上降低管線內流速，當發生停泵水錘時，可起到水錘防護的作用。

2 水錘求解方法

本研究采用特征線法［2，3］求解。水錘計算的特征差分方程為

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。

3 水錘防護方案實例

3.1 工程簡介

大伙房水庫輸水應急入連工程設計輸水流量90萬m3/d，為泵送單管輸水，其中蓋州泵站設水泵6臺(4用2備)。設2臺變頻調速水泵，4臺恒定水泵。水泵額定流量為9375m3/h，揚程為106.12m。蓋州泵站前端水池水位為46m，后端水池水位為142.84m，兩水池間管線全長738.9m，均為鋼管，承壓能力為1.2MPa，管線直徑為2800mm。

該管線首尾高差大，每臺水泵后設有一臺緩閉液控止回閥。管線上設計有8個直徑200mm的真空吸氣閥。

該工程穩態計算結果見圖1。

分析可知:全線靜壓均滿足承壓能力要求，管線承壓能力設計合理。

圖1 管線穩態運行狀況

3.2 水泵防護方案比選

在現有設備條件下，止回閥第一階段2.0s 內線性關閉80%，30s 內關閉100%。水錘防護效果見圖2。

圖2 事故停泵水錘后果

分析可知:事故停泵后局部管線負壓嚴重，現有設備不能滿足水錘防護要求，有必要改建水錘防護方案。

研究針對前述水錘防護措施制定多種水錘防護方案進行計算比較。

3.2.1 方案一(單線單向調壓塔)

如圖3 所示，該方案在原設計基礎上距管線末端385m 處增加單向調壓塔1個，直徑4m，水深30m，最高水位122m，DN1400 管連接干管。事故停泵后，止回閥關閉時間為在2.0s 關閉80%，30s 關閉100%;隧洞入口前池起到調壓塔作用，蓄水100m3。

計算結果見圖4。

圖3 方案一管線上的水錘防護設備

圖4 方案一事故停泵管道壓力

分析可知:在該水錘防護設備方案下，事故停泵時管線最大壓力約140m，但仍小于1.5 倍承壓能力，全線負壓滿足要求。

3.2.2 方案二(單線調節水泵轉動慣量)

該方案管線全線采用DN2800 單線，事故停泵后，止回閥關閉時間為在2.0s 關閉80%，30s 關閉100%;隧洞入口前池起到調壓塔作用，蓄水100m3。水泵機組轉動慣量為470kg·m2。計算結果見圖5。

分析可知:在該水錘防護方案下，事故停泵時管線全線最大壓力為143.0m，小于管道的1.5 倍承壓能力，全線負壓最大值為-2.6m，滿足要求。

3.2.3 方案三(雙線調節水泵轉動慣量為295kg·m2)

管線前端采用DN2200 雙線計420m(在樁號122+924.7 處合并)，其余采用DN2800 單線，水泵機組轉動慣量為295kg·m2。根據前述的空氣閥布置方案，全線共設計空氣閥井4 處，每處安裝DN200的空氣閥2個，共計8個DN200 空氣閥;各水泵壓水管安裝液控緩閉止回閥1個，事故停泵后，止回閥動作為2s 內關閉80%，30s 內全部關閉。計算結果見圖6。

圖5 方案二事故停泵管道壓力

圖6 方案三事故停泵管道壓力

分析可知:事故停泵時管線全線最大壓力為172.1m，小于管道的1.5 倍承壓能力，全線負壓最大值為-2.0m，滿足要求，水泵運行狀態以及泵后壓力滿足要求。

3.2.4 方案四(雙線調節水泵轉動慣量為320kg·m2)

管線前端采用DN2200 雙線計160m(在樁號122+662.7處合并)，其余采用DN2800 單線，水泵機組轉動慣量為320kg·m2。根據前述的空氣閥布置方案，全線共設計空氣閥井4 處，每處安裝DN200的空氣閥2個，共計8個DN200 空氣閥;各水泵壓水管安裝液控緩閉止回閥1個，事故停泵后，止回閥動作為2s 內關閉80%，30s 內全部關閉。計算結果見圖7。

圖7 方案四事故停泵管道壓力

分析可知:事故停泵時管線全線最大壓力為136.2m，小于管道的1.5 倍承壓能力，全線負壓最大值為-2.7m，滿足要求，水泵運行狀態以及泵后壓力滿足要求。

3.3 方案優選

根據上述水錘防護方案(見下表)，通過技術經濟比較后確定一個較優的水錘防護方案。

綜合比較上述四個方案，方案四因其工程造價低、設備簡單、最易于實施，最終被確定為最佳方案。

水錘防護方案優選表

4 結 語

對于首尾落差大的長距離輸水管線，將單線改建為雙線，通過調節管徑降低流速，并配合調節水泵轉動慣量，水錘防護效果較為理想，工程造價較低，是今后長輸水管線水錘防護的發展方向。

1 金錐.停泵水錘及其防護［M］.第2 版.北京:中國建筑工業出版社，2004:6-12.

2 YANG Yu Si，MA Xiao Yun，LI Xiao Yan.Analysis the impact of wave velocity on the calculation of pressure boost in water hammer of long-distance water pipelines［C］.Internationa1 Symposium on Water Resource and Environmenta1 Protection(ISWREP)，2011:2943 -2945.

3 ZHU Zuo Jin.Quasi-Characteristic method for KDV-Buragers equations［J］.Acta Scientiarum Natura1ium Universitatis of Science and Techno1ogy of China，2004，27(4):8-12.