雙向調壓塔和空氣罐在停泵水錘防護措施中的應用

2018-04-26 02:17:57吳亮

西北水電 2018年1期

吳亮

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 前言

當水泵抽水斷電且泵后工作閥全部拒動時，水泵發生反轉，其中，水泵的最大反轉速為-1 884 r/min，超過了控制標準。因為泵后產生了162 m以上的壓力下降，該降壓波向后傳播使得泵后樁號0+355 m處開始出現負壓，在樁號0+850 m處出現理論上計算的負壓最大值-126.55 m，若不設置水錘防護措施，將導致管道中水流汽化，發生液柱彌合引發爆管事故。

1 工程概況

烏魯木齊縣甘溝鄉國際旅游景區調水工程地處中天山北麓，準噶爾盆地南緣，行政隸屬于烏魯木齊縣甘溝鄉，距烏魯木齊市約 56 km，是“甘溝鄉創建5A級旅游景區建設項目”的配套供水工程，工程承擔烏魯木齊縣甘溝鄉國際旅游度假區供水任務。泵站揚程206 m，壓力管道總長度為2 302 m，采用?529的涂塑鋼管，鋼管厚度8 mm，材質Q345C。具有揚程大、停泵水錘壓力高等特點。

2 水力過渡過程計算原理及數學模型

2.1 水錘計算的特征相容方程

描述任意管道中水流運動狀態的基本方程為：

(1)

(2)

式中：H為測壓管水頭；Q為流量；D為管道直徑；A為管道面積；t為時間變量；a為水錘波速；g為重力加速度；x為沿管軸線的距離；f為摩阻系數；β為管軸線與水平面的夾角。

式(1)、(2)可簡化為標準的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉化成同解的管道水錘計算特征相容方程。

對于長度L的管道A-B，其兩端點A、B邊界在t時刻的瞬態水頭HA(t)、HB(t)和瞬態流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

C-:HA(t)=CM+RMQA(t)

(3)

C+:HB(t)=CP-RPQB(t)

(4)

其中，CM=HB(t-kΔt)-(a/gA)QB(t-kΔt)；RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；CP=HA(t-kΔt)-(a/gA)QA(t-kΔt)；RP=a/gA+R|QA(t-kΔt)|；

式中：Δt為計算時間步長；ΔL為特征線網格管段長度，ΔL=aΔt(庫朗條件)；k為特征線網格管段數，k=L/ΔL；R為水頭損失系數，R=Δh/Q2；其它符號意義同前。

水力過渡過程計算一般從初始穩定動行狀態開始，即取此時t=0.0，因此當式中(t-kΔt)<0時，則令(t-kΔt)=0，即取為初始值。式(3)、(4)均只有2個未知數，將其分別與A、B節點的邊界條件聯列計算，即可求得A、B節點的瞬態參數。

2.2 壓力空氣罐節點數學模型

假設處于密閉壓力空氣罐內的空氣滿足理想氣體狀態方程，由于瞬變過程非常迅速，空氣膨脹或壓縮過程接近于絕熱情況，這對容積不大的氣罐是符合實際情況的。其主要方程有：

HA·Vn=C

(5)

HA=HP-kQS|QS|-Z+HB

(6)

(7)

QS=QU-QD

(8)

C+:HP=CP-BP·QU

(9)

C-:HP=CM+BM·QD

(10)

式中：HA為空氣罐內氣體絕對壓力；HB為當地大氣壓力，與當地高程有關；V為空氣罐內氣體體積；n為氣體狀態方程指數，1

3 揚水管線設置“雙向調壓塔+進排氣閥”的防護方案

根據雙向調壓塔和進排氣閥的運行機理、運行條件及其相連管線的布置情況，對揚水管線采取“雙向調壓塔+進排氣閥”聯合防護方案時泵站抽水斷電過渡過程進行數值模擬計算。并在計算過程中保證輸水系統不出現負壓，且泵后止回閥關閉最大壓力不超過管道承壓標準。試算后采用2段直線關閉規律關閉泵后閥門，即：首先以1/5 s的關閥速度關閉閥門至相對開度為0.2，再以1/10 s的關閥速度關閉閥門至相對開度為0。優化后的調壓塔參數見表1。

表1 雙向調壓塔體型參數表

調壓塔防護下的計算結果見表2以及圖1～4。

表2 管道沿線壓力極值統計表

圖1 管道沿線壓力最大點壓力變化過程圖

圖2 管道沿線壓力最小點壓力變化過程圖

圖3 管道沿線最大壓力包絡線圖

由計算結果圖1及圖3可以看出，在設置雙向調壓塔后，水泵抽水斷電過渡過程中水泵未出現反轉，管道沿線最大壓力為300.6 m，超過揚水管道最大使用壓力289 m。從圖2及圖4可以看出揚水管線全線未出現負壓，僅設置調壓塔即可防護揚水管線抽水斷電過程中產生的負壓。因此，雙向調壓塔方案能夠有效消除停泵產生的負壓，具有較好的經濟性，但無法防護過渡過程中過大的正水錘。

圖4 管道沿線最小壓力包絡線圖

4 揚水管線設置“空氣罐+進排氣閥”防護方案

根據空氣罐和進排氣閥的運行機理、運行條件及其相連管線的布置情況，對揚水管線采取“空氣罐+進排氣閥”聯合防護方案時泵站抽水斷電過渡過程進行數值模擬計算。并在計算過程中保證輸水系統不出現負壓，且泵后止回閥關閉最大壓力不超過管道承壓標準。試算后采用2段折線關閉規律關閉泵后閥門，即：泵后閥門首先以1/5 s的關閥速度從相對開度為1關閉至相對開度為0.2，再以1/10 s的關閥速度從相對開度0.2關閉至相對開度為0。優化后的空氣罐參數見表3。

表3 空氣罐體型參數表

注：空氣罐內水深及氣室高度為泵站正常運行時參數。

“空氣罐+進排氣閥”聯合防護方案下的計算結果見表4以及圖5～8。

表4 揚水管道沿線壓力極值統計表

圖5 管道沿線壓力最大點壓力變化過程圖

由計算結果圖5及圖7可以看出，泵后閥門以2段折線關閉規律關閉時，管線最大壓力為212.3 m，滿足管道壓力標準；從計算結果圖6及圖8可以看出管線最小壓力為-4.9 m，空氣罐留有0.43 m的安全水深，進排氣閥發生動作，出現了一定的進氣量，但均能在較短時間內將氣體排除，說明該空氣罐結合進排氣閥防護方案能較好地防護揚水管線的停泵水錘，同時所需空氣罐容積僅為9.42 m3，具有較好的工程經濟性。