密閉有壓輸水系統泵組聯合啟動數值模擬研究

王國卿

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

大伙房水庫輸水(二期)工程為遼寧省長距離、多目標、大流量、全線密閉、有壓輸水管道系統，全線約261km，自上而下設撫順、沈陽1、沈陽2、遼陽、鞍山和營盤6座配水站及8座雙向穩壓塔，管線中間無任何調蓄設施，整個輸水系統屬于有壓密閉系統。

其中，鞍山配水站分三路向鞍山市、大連、營口盤錦方向輸水，目前大連支線為加壓供水方式。來水經過鞍山站，經1×DN2800、長度700m的PCCP管線直接進入大連泵站進行加壓，泵前無調蓄設施。站內共設6臺泵組，3臺變頻泵組(2#、3#、4#)和3臺工頻機組(1#、5#、6#)，單臺設計流量均為22.5萬m3/d。當前大連支線日供水量65萬m3，3臺變頻泵組運行。大連支線管線全長120km，DN2800PCCP管，設計壓力為1.5倍承壓能力。

對于有壓管道輸水，依據水力學非恒定流理論，當輸水系統加壓泵組開機、管道閥門短時間內啟閉將產生水擊，導致液體內部壓強產生大幅度迅速交替升降。如果不能合理設置泵組啟動方式、閥門開度和開關時間以及正確選用不同泵組運行組合，這種交替升降的壓力波將嚴重危及輸水系統的運行安全。因此，泵組的啟動以及工頻、變頻泵組混用的聯合啟動過程研究對管線系統的安全具有重要的意義。

1 泵組運行方案設定

1.1 泵后閥門調控設置

啟泵過程：泵后液控閥15s線性開閥至全開，工頻泵組泵后檢修閥開度為15°。

停泵過程：泵后液控閥關閉時間為：第一階段5s，快關70%開度；第二階段40s，慢關30%開度。

1.2 啟動調度方案設定

(1)4#變頻泵組停機，調整2#、3#變頻泵組，控制供水量至45萬m3/d以下；啟動5#工頻泵組，調整2#、3#變頻泵組，使2#、3#、5#泵供水量至75萬m3/d；再啟動4#變頻機組，調整2#、3#、4#變頻機組使2#、3#、4#、5#四臺機組供水量至78萬m3/d。

(2)2#、3#變頻泵組停機，4#變頻泵控制供水量至25萬m3/d以下；啟動1#工頻泵組，調整1#和4#泵，使兩臺泵供水量至45萬m3/d以下；啟動2#變頻機組，停4#變頻機組，調整2#變頻機組，使1#、2#機組日供水量至45萬m3/d；再啟動5#工頻泵組，調整1#、2#、5#泵組，使三臺泵供水量達到75萬m3/d；最后啟動4#變頻機組，調整1#、2#、4#、5#機組使四臺機組日供水量至78萬m3/d。

2 水力過渡過程數學模型

輸水管道系統中的水力過渡過程，即對水擊作用進行數值研究，本文采用特征線法進行數值模擬：

式中，B=a/(gA),R=fΔx/(2gdA2);a—水擊傳播速度；g—重力加速度；A—某管道截面面積；f—摩阻系數；—某管道分段長度；d—某管道截面直徑；M、P、Q—某管道的連續3個截面；Q—某管道截面流量；H—某管道截面壓力水頭。

管道系統邊界點主要包括管道末端、泵閥端及各種水錘防護設備端等，其邊界方程基于邊界點水頭平衡方程。邊界節點的定解關系由能量守恒以及質量守恒關系確定，即在邊界節點處滿足水頭相等且流量守恒。加壓泵站邊界引入水泵特性曲線來反映水泵過流量與泵揚程之間的關系，用數學方程表示為：

H=a1Q+a2Q2+Hs

式中，Hs—水泵斷流水頭；水泵過流量Q由泵后蝶閥在某時刻t的開度τ確定。

3 模擬計算結果及分析

3.1 方案一模擬

(1)停4#變頻機組，2、3#變頻機組控制供水量至供水量45萬m3/d以下，立即開啟5#恒速機組，調整2、3#變頻機組，使2、3、5三臺機組供水量至75萬m3/d。該過程模擬結果如圖1—2所示。

圖1 75萬大連支線壓力包絡線

圖2 75萬水泵出水管壓力流量曲線

(2)開啟4#變頻機組，調整2、3、4#變頻機組使2、3、4、5#四臺機組供水量至78萬m3/d。該過程模擬結果如圖3—4所示。

圖3 78萬大連支線壓力包絡線

圖4 78萬水泵出水管壓力流量曲線

由圖1—4可見，2臺變頻+1臺工頻泵工況下，隨著泵，泵組出口壓力降低，70s后壓力和流量相應達到最低；工頻泵組啟動后瞬間流量超75萬m3/d，調節變頻泵組后趨于穩定，320s時管線出現最大壓力129.8m，流量相應波動。后續增量過程壓力、流量無大波動，240s時壓力值未超120m。

整個計算過程全線最大壓力(自由水頭)基本在管線承壓范圍內，最大壓力為129.8m(樁號12+140.45處)，未超過正壓上限1.5倍承壓能力，最小壓力為-2.2m(樁號0+393.88處)，在負壓下限-10m以內，滿足水錘防護要求。

3.2 方案二模擬

(1)鞍山泵站首先停2#、3#變頻機組，4#變頻機組控制供水量至日供水量25萬m3/d以下，立即開啟1#恒速機，調整1#和4#機組，使兩臺機組穩定運轉，日供水量至45萬m3/d以下。該過程模擬結果如圖5—6所示。

圖5 45萬大連支線壓力包絡線

圖6 45萬水泵出水管壓力流量曲線

(2)開啟2#變頻機組，停4#變頻機組，調整2#變頻機組，使1#、2#機組日供水量至45萬m3/d。該過程模擬結果如圖7—8所示。

圖7 輪泵過程大連支線壓力包絡線

圖8 輪泵過程水泵出水管壓力流量曲線

(3)開啟5#恒速機組，調整1#、2#、5#機組，使日供水量達到75萬m3/d；再啟動4#變頻機組，調整1#、2#、4#、5#機組使四臺泵組日供水量至78萬m3/d。

圖9 78萬大連支線壓力包絡線

圖10 78萬水泵出水管壓力流量曲線

由圖5—6可見，在1臺變頻+1臺工頻泵工況下，工頻泵組的啟動全程壓力為超管線承壓能力，但水泵出口管線壓力波動頻繁、持續時間長，在800s后才趨于平穩。

比較圖5—8可見，變頻泵組的輪換對系統壓力、流量的影響較小，全程壓力波動點集中，泵后壓力波動幅度在10m左右，操作過程的有效調節控制十分關鍵。

由圖9—10可見，1臺變頻+2臺工頻泵聯合增量至75萬m3/d時，基本全程管線壓力超出承壓范圍，在240s時樁號0+808.10處出現最大壓力149.9m(未超過正壓上限1.5倍承壓能力)，工頻泵組啟動瞬間泵后管線樁號119+695.9處出現最小壓力-2.5m(在負壓下限-10m以內)；后續啟動變頻泵組由75萬m3/d增至78萬m3/d過程，壓力變化與方案一中情形基本一致。

綜合方案一、二，在變頻和工頻泵組不同組合聯合運行時，工頻泵組的啟動過程，對系統壓力波動較變頻泵組更為明顯。在工況一下泵組聯合啟動時，瞬時最大壓力較工況二大20.1m，最小負壓增加0.3m，因此水擊風險更高。但由于二者均未超管線設計壓力，可認為起、停泵過程閥門開度和開關時間設置合理。

4 結語

加壓泵站是水利輸配水系統中常用的加壓設施，如何既能實現加壓目的，又能最大限度保證供水系統的安全穩定是泵組設置的核心要素。本文結合大伙房水庫密閉有壓輸水系統大連支線串聯加壓泵站不同泵組運行工況的數值模擬計算，得出以下幾點結論。

(1)泵組出口液控閥的開關方式及時間設置直接影響水錘和負壓的產生及程度。開閥建議不超過20s，關閥分階段執行，快關時間在6s左右為宜，關閥不超80%，慢關時間根據水錘時間確定。

(2)在密閉有壓系統中，工頻泵組參與運行調節大大增加了輸水系統的運行風險，在泵組啟動的前360s內，泵后壓力出現從最小到最大的波動；變頻泵組的啟停及輪換過程波動影響較小，泵后壓力波幅度在操作過程可人為有效調節控制。

(3)在目標供水量相同的情況下，啟動3臺變頻+1臺工頻泵和啟動2臺變頻+2臺工頻泵工況，泵后管線最大壓力升高20.1m，最小負壓增加0.3m，水擊風險明顯增加。

(4)建議在有壓密閉輸水系統中，特別是不設調蓄設施的加壓泵站應盡量采用變頻泵組，慎用工頻泵組，這對后續的運行管理至關重要。