長距離輸水工程停泵水錘防護措施研究

2021-04-27 06:58:00朱付,葉永

水利科技與經(jīng)濟 2021年3期

朱付,葉永

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

我國是一個水資源相對匱乏又分布嚴重不均衡的國家，未來的城市化發(fā)展和工農(nóng)業(yè)發(fā)展會越來越重視對于水資源的合理調(diào)配。隨著南水北調(diào)、引漢濟渭等一系列大型引調(diào)水工程的順利進行，我國將會實施越來越多的用于優(yōu)化水資源配置的工程。其中，長距離有壓輸水方式目前運用最為廣泛。但在有壓輸水系統(tǒng)中，泵站發(fā)生停電事故時，由于水泵的突然關(guān)閉，在輸水系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生超過規(guī)范要求的正壓和負壓，可能會對管線系統(tǒng)造成不可逆的損壞，從而嚴重影響工程的使用壽命。如利比亞大人工河工程，迄今為止，已經(jīng)出現(xiàn)多次的爆管事故，造成了嚴重影響[1]。因此，分析長距離輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程、提出合理的水錘防護措施是十分必要的。

目前水錘計算方法有圖解法、解析法和電算法。其中，電算法的基礎(chǔ)是運動方程和連續(xù)性方程，利用計算機克服積分難題，通過有限差分法求積分的數(shù)值。特征線法和波特性法是電算法最常用的方法。特征線法[2]運用較為廣泛，該法有明確的物理概念，可以計算復(fù)雜的邊界條件，可以滿足數(shù)值計算解。本文結(jié)合實際工程，基于Bentley Hammer軟件對長距離輸水管道瞬態(tài)水錘進行分析計算，并提出精確合理的水錘防護方案，以保障工程運行期的安全。

1 工程概況

某提水泵站項目，全程并排布置兩條輸水管線，單條管線全長4 867 m，管道起始端高程為20.38 m，管道末端高程為54.6 m。泵站采用兩機一管，壓力管道輸水，地下埋管方式鋪設(shè)。選用4臺型號為CS500-710的單級雙吸臥式中開泵，其主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計流量Q=1 m3/s；設(shè)計揚程H=52 m；轉(zhuǎn)速n=980 rpm。輸水管材為DN1200的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)，管壁厚度為100 mm，設(shè)計壓力為0.8 MPa，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 PCCP管道技術(shù)參數(shù)

2 水錘計算重要參數(shù)

在水錘過程的分析與計算中，波速是一個非常重要的參數(shù)。它的大小與管壁材料、厚度、管徑、管道的支承方式以及水的彈性模量等有關(guān)。由水流的連續(xù)方程并考慮水體和管壁的彈性后，可導(dǎo)出水錘波的傳播速度為：

PCCP管是一種復(fù)合型管材，其管壁材料的縱向彈性模量可參考復(fù)合材料力學(xué)性能的復(fù)合規(guī)律求出近似值[3]，管道各材料的彈性模量為E1、E2、E3、E4，V1、V2、V3、V4為各材料占復(fù)合材料體積的百分比。它們之間的關(guān)系為：

E=E1V1+E2V2+E3V3+E4V4

求得水錘波的傳播速度近似值為1 074.52 m/s。

3 停泵水錘模擬及防護

3.1 無防護措施停泵水錘模型

使用Bentley Hammer軟件設(shè)置好計算模型，首先進行管網(wǎng)平差計算，其結(jié)果見圖1。假設(shè)此時管線系統(tǒng)無任何水錘防護措施，水泵不允許倒轉(zhuǎn)。泵站在正常運行情況下，突然發(fā)生停電事故，水泵機組斷電，其事故停泵管線壓力包絡(luò)線見圖2。從圖2中可以看出，管線最大正壓為1.387 MPa，最大負壓為0.098 MPa。而且在管道節(jié)點J6處會出現(xiàn)大體積空腔，造成液柱分離，形成負壓，從而在此處形成較大的斷流彌合水錘[4]。

圖1 管網(wǎng)平差計算結(jié)果

圖2 事故停泵管線壓力包絡(luò)線

一方面液柱分離造成的負壓可能使管道失穩(wěn)變形(壓癟)，另一方面斷流彌合水錘造成的高壓可能擊破管道。斷流空腔彌合水錘過程中的液柱分離及彌合水錘，對長距離輸水管線工程和其他各種工業(yè)管道工程的危害是巨大的，所以有必要對管線采取一定的水錘防護措施。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)規(guī)程要求，事故停泵瞬態(tài)特性參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時間不應(yīng)超過2 min；最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；輸水系統(tǒng)任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂；水錘防護措施設(shè)計應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力[5-6]。

3.2 有防護措施停泵水錘模型

在實際工程中，單向調(diào)壓塔、空氣閥和泵后液控止回蝶閥聯(lián)合作用的水錘防護措施是最常見的[7]。而且，對于水錘的防護均有很好的效果，其各自的優(yōu)點為：單向調(diào)壓塔能有效地消除管道內(nèi)空腔，避免出現(xiàn)斷流彌合水錘；空氣閥可以明顯降低管道內(nèi)負壓；泵后液控止回蝶閥可以有效降低管道內(nèi)的正壓，且結(jié)構(gòu)簡單，造價低。

3.2.1 設(shè)置泵后液控止回蝶閥

雖然在泵后設(shè)置止回閥(作用是不允許水泵倒轉(zhuǎn))可以有效保護水泵及廠房，但當(dāng)出現(xiàn)事故停泵時，管線內(nèi)水錘壓力會大大超過管道的設(shè)計承壓能力。在規(guī)范允許的情況下，水泵是允許倒轉(zhuǎn)的，所以可以在泵后設(shè)置兩階段關(guān)閉的液控止回蝶閥。不同關(guān)閥規(guī)律條件下，管線內(nèi)部的事故停泵水錘壓力見表2。

表2 不同關(guān)閥規(guī)律水力過渡計算結(jié)果

由表2可知，當(dāng)泵后閥門總的關(guān)閥時間越長時，水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速會越來越大，但對管道最大負壓的大小幾乎沒有影響。而管道內(nèi)產(chǎn)生的最大正壓在一定關(guān)閥時間范圍內(nèi)隨關(guān)閥時間的增加而減小，超過一定的時間范圍之后，增加關(guān)閥時間對管道最大正壓的減小不僅效果不明顯，而且會增加水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，對水泵造成不利的影響。比較可知，方案四0～60 s快關(guān)70%、60～120 s慢關(guān)30%是最經(jīng)濟合理的方式。在采用方案四的情況下，事故停泵管線壓力包絡(luò)線見圖3。

圖3 事故停泵管線壓力包絡(luò)線

3.2.2 設(shè)置單向調(diào)壓塔

采用一定關(guān)閥規(guī)律的泵后液控止回蝶閥能在一定程度上降低最大水錘壓力，但對管線的改善效果十分有限(圖3)，管線最大水錘壓力明顯降低，但在節(jié)點J6處產(chǎn)生的空腔體積并沒有降低。為了進一步改善節(jié)點J6處的情況，結(jié)合大量理論研究和工程實踐，可以在J6處設(shè)置一個單向調(diào)壓塔。單向調(diào)壓塔聯(lián)合泵后液控止回蝶閥兩階段關(guān)閉，水錘模擬結(jié)果見圖4和圖5。由圖4和圖5可知，在使用單向調(diào)壓塔后，節(jié)點J6處的空腔消失，而且管線內(nèi)的最大水錘壓力降至0.52 MPa。同時，水泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為529 rpm，符合規(guī)范的要求。但是管線內(nèi)仍然存在較大負壓，需要進一步采取水錘防護措施。

3.2.3 空氣閥的應(yīng)用

空氣閥能有效降低管線內(nèi)出現(xiàn)的負壓，依據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265-2010)，當(dāng)出水管線路較長時，應(yīng)在管線隆起處設(shè)置排(補)氣閥，其數(shù)量和直徑應(yīng)經(jīng)過計算確定。當(dāng)管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設(shè)置一處通氣設(shè)施。本工程中管線布置平緩，且無隆起部位。空氣閥布置方案見表3。通過軟件模擬計算，各方案計算結(jié)果見表4。