老君廟二級(jí)供水工程水錘計(jì)算及防護(hù)

陸云才

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆準(zhǔn)東地區(qū)是國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的第14個(gè)能源基地(新疆)的重要組成部分，當(dāng)?shù)厮Y源極端匱乏，直接影響到準(zhǔn)東地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。老君廟二級(jí)供水工程作為該區(qū)域的二級(jí)供水項(xiàng)目，主要解決準(zhǔn)東工業(yè)園區(qū)西黑山、芨芨湖和老君廟片區(qū)的生產(chǎn)、生活用水問題。設(shè)計(jì)水平年的年供水量為3 150萬m3。老君廟二級(jí)供水工程通過3級(jí)泵站和56.70 km長(zhǎng)的輸水管線將水輸送到老君廟事故備用水池，管線全年運(yùn)行。根據(jù)沿線地形條件，管線布置分為3段。第1段：第1級(jí)泵站布置于將軍廟水池放水口處；輸水管線從將軍廟水池東側(cè)分水口沿省道S228 西側(cè)向南至第2級(jí)泵站，該段管線長(zhǎng)度為14.93 km。第2段：第2級(jí)泵站與冬季調(diào)蓄水池結(jié)合，布置在規(guī)劃冬季調(diào)蓄水池放水口下游，具體位置在將軍廟景點(diǎn)以東約900 m 處，距離S228 省道約1 km；輸水管線從第2級(jí)泵站向南基本沿省道S228 東側(cè)布置，至第3級(jí)泵站。該段管線長(zhǎng)度為22.31 km。第3段：第3級(jí)泵站布置在芨芨湖西礦井北部邊界中段，S228 省道東約3.6 km處；輸水管線從第3級(jí)泵站向東再向南沿芨芨湖西礦井北、東界線布置，至西黑山礦區(qū)與老君廟礦區(qū)間無煤帶處的事故備用水池。該段管線長(zhǎng)度為19.46 km。

2 主要技術(shù)資料

2.1 水泵參數(shù)

本工程的輸水管線縱剖面布置如圖1，采用三級(jí)加壓供水方式進(jìn)行輸水。第1級(jí)泵站、第2級(jí)泵站和第3級(jí)泵站近期均安裝4 臺(tái)機(jī)組，包括2 臺(tái)大泵和2 臺(tái)小泵，均采取1 臺(tái)大泵和2 臺(tái)小泵運(yùn)行、1 臺(tái)大泵備用的運(yùn)行方式，各級(jí)泵站水泵的性能參數(shù)見表1所示。

表1 水泵機(jī)組性能參數(shù)表

圖1 輸水管線縱剖面圖

2.2 泵出口閥門

本系統(tǒng)各水泵出口均安裝多功能水泵控制閥，該閥為水力自動(dòng)閥門。其中：第1級(jí)泵站和第2級(jí)泵站水泵出口分別裝設(shè)有DN600(大泵)和DN500(小泵)各2 臺(tái)，第3級(jí)泵站分別裝設(shè)有DN500(大泵)和DN400(小泵)各2 臺(tái)。水泵出口閥門是抽水系統(tǒng)在正常、非正常情況下進(jìn)行停泵斷流或進(jìn)行水錘防護(hù)的重要設(shè)備，其過流特性對(duì)工程的正常運(yùn)用與事故控制都有很大的影響。DN600 閥門全開行程為174 mm，該開度下的局部阻力系數(shù)為3.68；DN500 閥門全開行程為143 mm，該開度下的局部阻力系數(shù)如表2所示。

各級(jí)泵站進(jìn)、出水池的水位如表3 所示。

3 水錘計(jì)算的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

水錘計(jì)算是對(duì)整個(gè)輸水管道系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，包括管道內(nèi)結(jié)點(diǎn)及與管道連接的水池、閥門及其它過流元件。在水錘計(jì)算中，對(duì)于管道系統(tǒng)內(nèi)結(jié)點(diǎn)的計(jì)算是求解水錘基本方程，即由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程組成的雙曲型偏微分方程組[1]。為了便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)化為水錘全微分方程：

(1)

(2)

表2 泵出口閥不同行程開度下的特性參數(shù)表

表3 泵站進(jìn)、出水池水位表

圖2 x-t坐標(biāo)系中的水錘特征線圖

有限差分方程式的的推導(dǎo)分別是從A、B點(diǎn)沿C+、C-積分到P點(diǎn)，則A點(diǎn)的H由HA變?yōu)镠P、Q由QA變?yōu)镼P，B點(diǎn)的H由HB變?yōu)镠P、Q由QB變?yōu)镼P，可得近似簡(jiǎn)化積分式為:

(3)

(4)

當(dāng)各點(diǎn)初始狀態(tài)時(shí)的Q、H值和邊界點(diǎn)的條件方程己知時(shí)，就可根據(jù)前一時(shí)段t0時(shí)刻已知的Q、H值，用方程求出后一時(shí)段t0+Δt時(shí)的Q、H值[2]。對(duì)于所有內(nèi)結(jié)點(diǎn)的計(jì)算就用以上介紹的方法計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 關(guān)于單站事故停泵水錘計(jì)算

假定各級(jí)泵站的進(jìn)、出水池截面積足夠大，其水位在過渡過程中的波動(dòng)忽略不計(jì)，以設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程工況作為控制工況，分別進(jìn)行停泵水錘防護(hù)措施的選擇，并對(duì)其他運(yùn)行工況進(jìn)行校核[3]。各泵站的單站停泵水錘計(jì)算結(jié)果分別匯總于表4～6。

表4 1級(jí)泵站單站事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果匯總表

表5 2級(jí)泵站單站事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果匯總表

表6 3級(jí)泵站單站事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果匯總表

4.2 關(guān)于全系統(tǒng)事故停泵水錘計(jì)算

在給定第1級(jí)泵站進(jìn)水池和第3級(jí)泵站出水池水位的條件下，考慮中間水池(第1級(jí)泵站出水池和第2級(jí)泵站出水池)水位在過渡過程中的變化，進(jìn)行全系統(tǒng)即3站串聯(lián)的事故停泵水錘計(jì)算，對(duì)前面單站水錘計(jì)算擬定的水錘防護(hù)措施進(jìn)行校核，結(jié)果表明：

(1) 由于1級(jí)泵站和2級(jí)泵站的出水池橫截面積較大，其在停泵過渡過程中的水位變化速度很慢，均小于1 mm/s， 因此，在有限的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，該水位的變化對(duì)過渡過程的影響很小[4]，即在工況相同條件下，全系統(tǒng)水錘計(jì)算的結(jié)果與單站水錘計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小。

(2) 由于3站串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，1級(jí)泵站出水池水位和2級(jí)泵站出水池水位與設(shè)計(jì)水位值存在差異，導(dǎo)致各站管線的最大水錘壓力和單站水錘計(jì)算的結(jié)果存在一定偏差[5]。在全系統(tǒng)串聯(lián)計(jì)算條件下，1級(jí)泵站管線的最大水錘壓力為83.05 m，2級(jí)泵站管線的最大水錘壓力為173.79 m，3級(jí)泵站管線最大水錘壓力為138.50 m。

全系統(tǒng)停泵水錘計(jì)算的結(jié)果匯總于表7。

表7 全系統(tǒng)事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié) 語

由于空氣閥是通過向管道內(nèi)補(bǔ)氣來破壞水柱分離現(xiàn)象，其進(jìn)氣和排氣兩相流過渡過程的影響因素十分復(fù)雜，管道中排完空氣時(shí)，可能產(chǎn)生水柱再撞擊[6]；現(xiàn)有空氣閥計(jì)算模型中的幾點(diǎn)假設(shè)，由于試驗(yàn)研究及理論研究尚不充分，其對(duì)于水柱分離的防護(hù)及其對(duì)水錘的影響尚有待于進(jìn)一步深入研究；實(shí)際工程中，將空氣閥作為主要的彌合水錘防護(hù)措施，也不乏失敗的教訓(xùn)，如九江第三水廠水源泵站及輸水管線、內(nèi)蒙古達(dá)拉特電廠供水管線等。其中，九江第三水廠水源泵站及輸水管線1998年建成時(shí)，為防止在管道局部凸起點(diǎn)發(fā)生水柱分離及彌合水錘，在凸起點(diǎn)裝設(shè)了空氣閥，但在1998—2000 年的實(shí)際運(yùn)行過程中，多次發(fā)生因事故停泵水錘而導(dǎo)致管道爆破的事故，隨后，業(yè)主在局部凸起點(diǎn)裝設(shè)單向調(diào)壓塔的水錘防護(hù)方案。該方案于2001年實(shí)施后，經(jīng)過一期單機(jī)單管、二期雙機(jī)單管的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，由于單向調(diào)壓塔的有效防護(hù)，該系統(tǒng)的停泵過渡過程十分平穩(wěn)，再未發(fā)生過水錘爆管事故，至今已安全運(yùn)行13 a；現(xiàn)場(chǎng)原型水錘測(cè)試結(jié)果不僅表明單向調(diào)壓塔可有效防止水柱分離及彌合水錘事故的發(fā)生，而且驗(yàn)證了現(xiàn)有單向調(diào)壓塔水錘計(jì)算模型的精度完全可以滿足工程需要。

考慮到本系統(tǒng)2級(jí)泵站和3級(jí)泵站的管線長(zhǎng)、凈揚(yáng)程較高、管線縱剖面存在一定起伏，水柱分離及彌合水錘是威脅管線安全的主要因素[7]，因此，本階段推薦單向調(diào)壓塔方案作為2級(jí)泵站和3級(jí)泵站輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)方案。

各泵站水錘防護(hù)方案建議如下：① 關(guān)于第1級(jí)泵站：水泵出口閥10 s/75%～140 s/25%兩階段關(guān)閉，在管線中裝設(shè)23 處“快進(jìn)慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)。② 關(guān)于第2級(jí)泵站：推薦第2級(jí)泵站的水錘防護(hù)方案如下：泵出口閥10 s/85%～140 s/15%兩階段關(guān)閉；在管線中設(shè)置1 座單向調(diào)壓塔，裝設(shè)35 處“快進(jìn)慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)；③ 關(guān)于第3級(jí)泵站：泵出口閥10 s/85%～110 s/15% 兩階段關(guān)閉；在管線中設(shè)置1 座單向調(diào)壓塔，裝設(shè)28 處“快進(jìn)慢排”空氣閥(ACin/ACout=100)，由于本工程位于高寒地區(qū)，應(yīng)注意單向調(diào)壓塔在冬季的防凍問題。