長距離輸水管道啟泵水錘模擬及試驗驗證

2016-04-06 13:10:55楊曉蕾邱象玉楊進新

水利規劃與設計 2016年3期

楊曉蕾，邱象玉，楊進新

（北京市水利規劃設計研究院，北京100048）

長距離輸水管道啟泵水錘模擬及試驗驗證

楊曉蕾，邱象玉，楊進新

（北京市水利規劃設計研究院，北京100048）

摘要：水錘是流體的一種非穩定流動。在長距離輸水工程中，水錘現象有可能會造成很大的危害。本文以南水北調來水調入密云水庫調蓄工程為例，對長距離輸水管道啟泵過程中的水錘現象進行模擬，并通過試運行時的實測資料對模擬結果進行驗證。結果表明，模擬結果與試驗結果非常接近。通過本次模擬及試運行發現，在長距離輸水管道啟泵過程中，管道內會產生明顯的升壓，必須予以重視，否則存在管道破裂的風險。

關鍵詞：長距離輸水管道，啟泵水錘，試運行試驗，HAMMER軟件

水錘是流體的一種非穩定流動。管道中某一截面由于流速發生了改變從而使該處壓力產生一個突然的躍升或下跌，這個壓力的瞬變波稱為水錘。水錘現象會造成以下幾種危害：造成管道或設備強度不夠而破裂、管道塌癟、管道接口位置改變和滲漏。［1-6］

通過對泵站輸水工程各種工況下水錘的分析研究，可以確定管線的最大、最小壓力及機組的最大倒轉速，優化泵后閥門的開啟和關閉規律，優化管線沿程空氣閥布置，為引水系統布置、機組參數選取及泵站機組招標等提供技術參數，也為泵站工程的設計和最終安全可靠運行提供技術保證。

本文以南水北調來水調入密云水庫調蓄工程中的雁棲泵站及PCCP輸水管道工程為例，對長距離輸水管道啟泵過程中的水錘現象進行模擬，并通過試運行時的實測資料對模擬結果進行驗證。

1　工程概況

由于南水北調來水與北京市用水過程不匹配，需設置大型調蓄工程予以處理，以提高城市供水的可靠性和穩定性。在通水初期將南水北調多余來水調入北京，加強北京的水資源戰略儲備。

將南水北調來水調入密云水庫，可解決密云水庫近年來來水量及供水量逐年減少，供水功能逐年下降問題，同時解決密云水庫目前蓄水量少，不能滿足補償調節要求的問題。工程建成后，可擴大南水北調供水范圍，為昌平、懷柔新城使用南水北調水創造條件。

工程由團城湖通過京密引水渠反向輸水、經六級泵站將水提升至懷柔水庫，部分水量經懷柔水庫分水回補水源地，其余水量再經三級泵站加壓輸水至密云水庫，線路總長103km，總揚程149.3m［7］。

雁棲泵站及其后22km長PCCP輸水管道工程是密云水庫調蓄工程的一部分。雁棲泵站是工程中的第八級加壓泵站，PCCP管道末端為溪翁莊泵站前的調蓄水池。

2　模擬軟件簡介

本次使用的模擬軟件為HAMMER軟件。HAMMER軟件能夠對復雜的水泵系統和管網從一個穩態過渡到另一穩態的瞬間變化進行分析［8］。

3　基本參數

根據工程設計資料，雁棲泵站內裝置3臺臥式單級雙吸離心泵（2用1備），單泵額定流量為5m3/s，額定轉速為495.0rPm，轉輪直徑為1.40m，水泵設計揚程為55.1m。每臺泵后設置兩臺DN1600液控緩閉蝶閥。

泵后管線長22km，為DN2600mm的PCCP管道。管道糙率取0.012，波速a取1157m/s。PCCP管道縱斷面圖見圖1。管道全線共布置32臺排氣閥，排氣閥為DN250復合式，排氣孔徑為250mm。

圖1　PCCP管線縱斷面示意圖

雁棲泵站前池設計水位及PCCP管道末端調蓄池設計水位見表1。

表1　前池和末端調蓄池水位

在模擬及試運行期間雁棲泵站前池實測水位為60.30m，末端調蓄池實測水位為92.60m。本次模擬采用實測水位。

4　啟泵水錘模擬

由于本工程水泵不能調頻，根據以往工程經驗，啟泵前必須保證泵后管道內充滿水，否則會產生斷流彌合水錘，造成管道破裂。水泵啟動前應保持泵后液控緩閉蝶閥處于關閉狀態，然后啟動水泵，待水泵達到額定轉速后再打開泵后液控緩閉蝶閥。蝶閥打開時水流對管道沖擊會產生啟泵水錘。如果蝶閥開啟時間過短，則啟泵水錘造成的管道升壓超出規范的要求；如果蝶閥開啟時間過長，會使得水泵長時間處于空轉，蝶閥前承受壓力時間過長，蝶閥開啟過程中產生振動等。因此，確定一個合理的液控緩閉蝶閥開啟時間是啟泵水錘模擬的最終目的。本次分別對液控緩閉蝶閥線性開啟時間10s、60s、120s三種工況進行模擬計算。

經計算，本工程水泵的比轉速為199.8，由于在HAMMER軟件中沒有比轉速為199.8的水泵的全特性曲線且軟件不能輸入新的水泵全特性曲線，為保證設備選型準確，本次分別選用HAMMER軟件中已帶的比轉速為169及208的水泵全特性曲線進行啟泵水錘模擬。

各種工況下管道沿線的最大壓力點及最大壓力值見表2。

表2　各種工況管道最大壓力統計表

通過模擬計算，本工程中管道的最大壓力對液控緩閉蝶閥開啟時間變化并不敏感，但是對水泵的比轉速變化較敏感。各種工況下管道最大壓力值均小于管道的最大設計壓力112m。綜合考慮操作方便、便于管理、保護設備、蝶閥漂移等因素，確定泵后液控緩閉蝶閥的自動化控制開啟時間為120s。

5　試運行試驗及模擬結果驗證

2015年8月14日10∶28分，雁棲泵站2#水泵及3#水泵先后開機。開機順序為：啟動2#水泵機組（閉閥造壓），達到額定轉速，90s（為實測時間、有漂移）線性開啟水泵后液控緩閉蝶閥，2#水泵機組啟動完成；6分鐘后，啟動3#水泵機組（閉閥造壓），達到額定轉速，60s（為實測時間、有漂移）線性開啟水泵后液控緩閉蝶閥，3#水泵機組啟動完成。在管道沿線共設置了壓力監測點，以便監測管道內的壓力變化。各壓力監測點的監測數據及模擬數據見表3。各壓力監測點的監測數據及模擬數據對比曲線見圖2～圖4。

由表3及圖2～4可以看到，管道在兩臺水泵啟動、液控緩閉蝶閥打開的過程中有一個明顯的升壓及波動過程。監測結果基本位于水泵比轉速為169和208時模擬結果之間，且接近水泵比轉速為169的模擬結果。通過對試運行試驗監測結果及計算模擬結果進行對比表明，在前期設計過程中應用HAMMER軟件分析泵站及管道系統的啟泵水錘過程的成果是可以滿足設計要求的。