緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律對事故停泵水錘的影響

邱象玉 王浩 孫慶宇

摘要：采取有效措施降低事故停泵時(shí)泵站系統(tǒng)的最大正壓、水泵的最大反轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間是避免事故停泵水錘危害發(fā)生的關(guān)鍵。針對長距離輸水泵站事故停泵普遍存在的倒轉(zhuǎn)及最大正壓引起的泵站系統(tǒng)安全問題，以北京市某重點(diǎn)水利工程為例，利用成熟的hammer軟件，對該工程泵站系統(tǒng)事故停泵水錘進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。通過分析緩閉蝶閥線性關(guān)閉及兩階段關(guān)閉規(guī)律對最大壓力、倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響，最終推薦了該工程合理的緩閉蝶閥關(guān)閉時(shí)間規(guī)律。結(jié)果表明：泵后緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉規(guī)律對事故停泵水錘最大反轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間有較大影響，合理的緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉規(guī)律能有效降低甚至消除事故停泵水錘，是泵站系統(tǒng)事故停泵水錘防護(hù)的有效措施。

關(guān)鍵詞：停泵水錘;緩閉蝶閥;泵站系統(tǒng);數(shù)值模擬

中圖分類號：TV134.1;TV672.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019.01. 023

水泵事故斷電時(shí)若不采取有效的水錘預(yù)防措施，會形成嚴(yán)重的事故停泵水錘[1]。常見的事故停泵會造成管路漏水、停水，嚴(yán)重時(shí)會造成葉輪飛逸，泵房被淹，甚至水泵、閥門設(shè)備破壞造成人員傷亡事故。國內(nèi)的專家學(xué)者已經(jīng)在事故停泵水錘防護(hù)措施方面進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果[2-3]。鄧安利等[4-6]針對事故停泵系統(tǒng)負(fù)壓對水錘的影響，研究采取空氣罐及排氣閥防護(hù)措施來解決負(fù)壓問題。林琦等[7-8]針對事故停泵數(shù)學(xué)模型指出了常用計(jì)算方法的不足，并在調(diào)整算法、改進(jìn)時(shí)間步長等方面對模型進(jìn)行了改進(jìn)。楊曉蕾等[9-10]研究了蝶閥線性關(guān)閉規(guī)律對重力流系統(tǒng)的影響，但未涉及壓力供水系統(tǒng)。黃時(shí)鋒等[11-12]對壓力供水系統(tǒng)水泵出口閥關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了壓力供水系統(tǒng)正壓及負(fù)壓，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。但是緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律對于壓力供水系統(tǒng)事故停泵水泵倒轉(zhuǎn)的影響往往被忽視，采取有效措施降低事故停泵時(shí)水泵的最大反轉(zhuǎn)速及反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間是避免事故停泵水錘危害發(fā)生的關(guān)鍵。筆者利用成熟的hammer軟件，結(jié)合北京市重點(diǎn)水利工程，對泵站系統(tǒng)事故停泵水錘進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并采取泵后設(shè)置緩閉蝶閥措施，分析了緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律對事故停泵水錘的影響。

1 緩閉蝶閥數(shù)學(xué)模型的建立

hammer軟件是目前國內(nèi)外比較成熟的水錘計(jì)算軟件，通過建立系統(tǒng)中水泵、閥門、管道等關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并賦予初始計(jì)算條件，采用成熟的特征線法[13]反復(fù)迭代計(jì)算來模擬泵站系統(tǒng)事故停泵水錘。本文研究對象主要為與事故停泵倒轉(zhuǎn)密切相關(guān)的泵后緩閉蝶閥數(shù)學(xué)計(jì)算模型。蝶閥通用數(shù)學(xué)計(jì)算模型[14]原理及計(jì)算公式如下。

假設(shè)蝶閥已經(jīng)安裝在已知的兩段管道之間，蝶閥的孔口方程需與兩端連接的管道聯(lián)合處理，同時(shí)考慮管道中的水流可以反向流動。在模型中，蝶閥中流體的加速或減速影響可忽略不計(jì)，即蝶閥中流體體積恒定不變，那么蝶閥出流的瞬變過程即可滿足穩(wěn)態(tài)閥門孔口方程：

2 水錘計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某實(shí)際泵站工程為例，該工程設(shè)3臺臥式離心泵（兩用一備）。單泵設(shè)計(jì)流量5 m/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程55.8m，水泵額定轉(zhuǎn)速495 r/min，單泵配套功率2 500 kW。系統(tǒng)凈揚(yáng)程約33.5 m，管路損失約20 m，輸水管道總長約22.5 km，采用DN2600的PCCP管單管輸水。泵站工程系統(tǒng)如圖2所示。

工程中泵后緩閉蝶閥設(shè)計(jì)采用DN1600液控緩閉蝶閥。液控緩閉蝶閥具有止回閥和閘閥的雙重功能，該閥門的突出優(yōu)點(diǎn)是在事故斷電時(shí)可以通過液壓操作系統(tǒng)來控制閥門的啟閉，從而避免閥門斷電拒動，造成停泵事故水錘現(xiàn)象。根據(jù)廠家提供的蝶閥流阻曲線圖得到的各開度下阻力系數(shù)曲線如圖3所示，其中：開度90°為全開，0°為全關(guān)，蝶閥全開時(shí)阻力系數(shù)ξ= 0.137。

2.2 計(jì)算分析目的

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范要求，長距離輸水工程事故停泵時(shí)，水泵及管路系統(tǒng)的水錘瞬態(tài)參數(shù)應(yīng)滿足[15]：①離心泵的最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間不應(yīng)超過2 min;②管路系統(tǒng)的最大壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.5倍：③輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。由于該工程輸水管路系統(tǒng)較長、流量較大，且管材為大口徑的PCCP管（管道承壓能力有限）等，因此事故停機(jī)時(shí)系統(tǒng)允許最大壓力水頭≤80 m.最小負(fù)壓水頭≥-3.5 m（負(fù)號僅表示負(fù)壓），水泵最大倒轉(zhuǎn)數(shù)不允許超過額定轉(zhuǎn)速，倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間不允許超過2 min。

本文計(jì)算分析的目的是：通過多種開關(guān)規(guī)律分析計(jì)算優(yōu)化調(diào)整泵后液控緩閉蝶閥在事故停機(jī)時(shí)的關(guān)閉規(guī)律及時(shí)間，以確保系統(tǒng)發(fā)生事故停機(jī)時(shí)能夠滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果分析

事故停泵產(chǎn)生水錘的常見原因有兩種：一是管理人員操作失誤;二是天災(zāi)導(dǎo)致事故斷電。長距離輸水工程在事故停機(jī)時(shí)泵后緩閉蝶閥拒動是不允許的，閥門拒動將引起嚴(yán)重的水錘事故，尤其水泵倒轉(zhuǎn)及水柱斷裂會對泵站及管路系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害。

水泵事故停機(jī)時(shí)，液控緩閉蝶閥開關(guān)規(guī)律對泵站系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用，閥門關(guān)閉的快慢對管路系統(tǒng)最大、最小壓力的波動較大，而且閥門關(guān)閉的時(shí)間長短尤其影響水泵的最大反轉(zhuǎn)速度。利用hammer軟件建立泵站系統(tǒng)模型，以模擬分析泵站系統(tǒng)事故停機(jī)過程。

2.3.1 事故停機(jī)緩閉蝶閥拒動規(guī)律分析

模擬計(jì)算事故停機(jī)時(shí)閥門拒動規(guī)律，可以確定泵站及管路系統(tǒng)最大、最小水頭包絡(luò)線，以及水泵最大倒轉(zhuǎn)數(shù)、倒轉(zhuǎn)時(shí)間。分析這些關(guān)鍵參數(shù)是否滿足規(guī)范要求，從而為下一步緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律分析計(jì)算提供參考。

圖4中事故停機(jī)泵后液控閥門拒動時(shí)，系統(tǒng)管路最大壓力水頭為62.0 m.最小壓力水頭為-4.0 m，系統(tǒng)最大水錘壓力為額定壓力的1.12倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5中事故停機(jī)泵后液控閥門拒動時(shí)，系統(tǒng)管路最大倒轉(zhuǎn)速度為-469 r/min.約為額定轉(zhuǎn)速的0.95倍，已經(jīng)很接近額定轉(zhuǎn)速，而且水泵倒轉(zhuǎn)從事故斷電150 s開始持續(xù)到800 s左右，倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間在10 min以上，但是倒轉(zhuǎn)均未超過額定轉(zhuǎn)速。

從以上分析可以得出，該泵站系統(tǒng)在事故停機(jī)泵后液控閥門拒動時(shí)（即泵后閥門不動作，常開狀態(tài)），存在嚴(yán)重的水泵倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，會危害系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此必須采取必要措施避免閥門拒動。

2.3.2 事故停機(jī)緩閉蝶閥線性關(guān)閉規(guī)律分析

泵后蝶閥線性關(guān)閉規(guī)律是指：泵站發(fā)生事故停機(jī)時(shí)，泵后緩閉蝶閥立即執(zhí)行線性均勻關(guān)閉，直至蝶閥完全關(guān)閉為止。對水泵事故停機(jī)時(shí)泵后液控緩閉蝶閥線性關(guān)閉按關(guān)閉時(shí)間長短進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析事故停機(jī)時(shí)泵后蝶閥線性關(guān)閉對事故停機(jī)的影響。

該工程管線距離較長，泵后蝶閥為DN1600.管徑較大，因此根據(jù)時(shí)間間隔25—50 s分析計(jì)算10種液控蝶閥線性關(guān)閉規(guī)律，計(jì)算工況及結(jié)果見表1。

表1、圖6中事故停機(jī)泵后緩閉蝶閥間隔時(shí)間線性關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)最大壓力呈周期性波動，波動周期約250 s：與事故停機(jī)閥門拒動工況相比系統(tǒng)最大壓力明顯增大，無論關(guān)閉時(shí)間長短，系統(tǒng)正壓普遍增大1.5。2.0倍.遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出安全允許范圍。但是線性關(guān)閉對于系統(tǒng)負(fù)壓的影響很小，管路系統(tǒng)最小負(fù)壓幾乎無明顯變化。

圖7中，線性關(guān)閉150 s左右開始出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，而且隨著關(guān)閉時(shí)間的延長，倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間與線性關(guān)閉總時(shí)間成正比。可見泵后緩閉蝶閥線性關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉總時(shí)長是影響水泵倒轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。

2.3.3 事故停機(jī)緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉規(guī)律分析

所謂泵后蝶閥兩階段關(guān)閉規(guī)律是指：泵站發(fā)生事故停機(jī)時(shí)，泵后緩閉蝶閥立即執(zhí)行快關(guān)緩閉，即大角度快關(guān)，小角度慢關(guān)，直至蝶閥完全關(guān)閉為止。對水泵事故停機(jī)時(shí)泵后液控緩閉蝶閥按快關(guān)緩閉時(shí)間長短進(jìn)行計(jì)算，可以分析事故停機(jī)時(shí)泵后蝶閥兩階段關(guān)閉對事故停機(jī)的影響。

該工程管線距離較長，管徑較大，因此根據(jù)時(shí)間間隔快關(guān)緩閉25～50 s分析計(jì)算10種液控蝶閥線性兩階段關(guān)閉規(guī)律，計(jì)算工況及結(jié)果見表2，表2中所列大角度快關(guān)角度為80°，小角度慢關(guān)角度為10°（其余關(guān)閉角度工況太多，這里不一一列舉）。

表2、圖8中事故停機(jī)泵后緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)最大壓力降低明顯，在兩階段關(guān)閉總時(shí)長250 s前后達(dá)到最小值。圖9中兩階段關(guān)閉時(shí)水泵在150 s左右開始出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，而且倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著兩階段關(guān)閉總時(shí)長的增長而增大，但與線性規(guī)律相比，倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速明顯降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泵的額定轉(zhuǎn)速。

最終經(jīng)多種緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律計(jì)算模擬及分析，泵后緩閉蝶閥快關(guān)100 s、慢關(guān)150 s兩階段關(guān)閉規(guī)律可以完全滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求，此時(shí)系統(tǒng)最大壓力水頭為70.2 m.水泵最大反轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范限定值。

3 結(jié)論

針對北京市某重點(diǎn)水利工程，對長距離輸水工程泵站及管路系統(tǒng)事故停泵水錘及泵后液控緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論。

（1）泵后蝶閥拒動會造成嚴(yán)重的水泵倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，事故停泵時(shí)蝶閥建議采用液壓驅(qū)動方式，避免與水泵同時(shí)事故斷電，以防止蝶閥拒動現(xiàn)象發(fā)生。

（2）泵后蝶閥線性關(guān)閉時(shí)，水泵倒轉(zhuǎn)及持續(xù)時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間的長短成正比關(guān)系，關(guān)閉時(shí)間越長對水泵倒轉(zhuǎn)影響越大。蝶閥線性關(guān)閉會使系統(tǒng)最大壓力整體提升1.5～ 2.0倍，可見緩閉蝶閥線性關(guān)閉規(guī)律不能滿足壓力供水系統(tǒng)事故停機(jī)安全運(yùn)行要求。

（3）合理的泵后緩閉蝶閥兩階段關(guān)閉規(guī)律可以明顯改善并優(yōu)化壓力供水系統(tǒng)最大壓力及水泵倒轉(zhuǎn)等指標(biāo)，對于事故停機(jī)泵站系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。

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