丁銀劍
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
新疆YE供水二期輸水工程SS段線路全長(zhǎng)106.055km,主要由SJZ泵站、壓力管道、輸水隧洞及尾部KMS水庫等建筑物組成。
SJZ泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為186m,泵站內(nèi)共安裝6臺(tái)(四用兩備)主泵及2臺(tái)充水泵,泵后分別設(shè)有DN1200及DN700軸流式止回閥。主泵采用臥式雙級(jí)雙吸離心泵,單泵流量為3.25m3/s。充水泵采用臥式單級(jí)雙吸離心泵,單泵流量為1m3/s。3臺(tái)主泵并聯(lián)在一根管路上,正常工況下,單根管路上為2臺(tái)流量為3.25m3/s的主泵并聯(lián)運(yùn)行或1臺(tái)主泵與1臺(tái)充水泵并聯(lián)運(yùn)行,出水管路總水頭損失約為0.2447×Q2。
泵后壓力管道總長(zhǎng)11.16km,為DN2400壓力鋼管,雙管并行布置,設(shè)計(jì)流量為13m3/s,最大工作壓力為1.98MPa。管道出口為2600m3的出水池。
為減少水錘防護(hù)的難度,壓力管道在布置上避免了兩頭低、中間高的凸點(diǎn),基本為一路上坡,前半段較為平緩,后半段進(jìn)入山區(qū)后較陡,由于地形原因,全線縱向共布置4個(gè)上折點(diǎn)(膝部)。
在長(zhǎng)距離、大流量、高揚(yáng)程輸水管路中,水錘現(xiàn)象是影響工程安全運(yùn)行不可忽視的重要因素,尤其是突發(fā)性的事故停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的停泵水錘,將會(huì)造成離心泵反轉(zhuǎn),引發(fā)管道內(nèi)流速的瞬時(shí)變化,從而引起管壓的急劇升高或降低,并引發(fā)反復(fù)交替性的水錘力。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)泵站機(jī)組、管道及其附屬設(shè)備造成破壞,因此,如何選擇安全、可靠的水錘防護(hù)措施,對(duì)于長(zhǎng)距離、高揚(yáng)程輸水管路至關(guān)重要。本文重點(diǎn)分析SJZ泵站事故停泵時(shí)的水錘防護(hù)措施。
根據(jù)國內(nèi)當(dāng)前水錘防護(hù)技術(shù)水平和通用防護(hù)措施,常見的事故停泵水錘防護(hù)措施包括:泵后止回閥、單(雙)向調(diào)壓塔、調(diào)壓罐、空氣閥、超壓泄壓閥及箱式雙向調(diào)壓塔等。
(1)液控緩閉止回閥(兩階段關(guān)閉):泵站停泵后,水流從正向流動(dòng)變?yōu)槟嫦蛄鲃?dòng),為了降低關(guān)閥水錘,泵后緩閉止回閥分兩階段關(guān)閉,80%左右快關(guān),20%左右慢閉,以降低動(dòng)態(tài)水壓至較低水平。
(2)軸流式止回閥(速閉):“零流速”關(guān)閉,能防止水泵及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),同時(shí)閥盤關(guān)閉不會(huì)產(chǎn)生巨大的水擊力,從而實(shí)現(xiàn)靜音效果,其最大功能是消除了由流速變化引起的水錘升壓。
雙向調(diào)壓塔既可在管道低壓時(shí)向管道內(nèi)注水,防止管道出現(xiàn)斷流,避免出現(xiàn)斷流彌合水錘,也可以在管道出現(xiàn)過高的正壓水錘波時(shí),消減過高的水錘升壓,是較好的水錘防護(hù)措施之一。
單向調(diào)壓塔僅能防止管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓,而對(duì)管道出現(xiàn)正壓波沒有作用。且應(yīng)注意冬季保溫,逆止閥及液控閥需定期維護(hù)。
空氣罐為密閉的高壓容器,其上部為高壓氣體,下部為水體,底部通過連通管與主管道相連,隨著管路中壓力的變化,氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管道中過高壓力,抗水錘原理上與雙向調(diào)壓塔類似。其構(gòu)造簡(jiǎn)單,自動(dòng)運(yùn)行,避免了如水錘消除器等裝置因設(shè)備故障或人為原因造成的事故。
箱式雙向調(diào)壓塔實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)閥門。管道超壓時(shí)泄水降壓,相當(dāng)于泄壓閥的功能;當(dāng)管道負(fù)壓時(shí),打開閥門向管道內(nèi)補(bǔ)水,相當(dāng)于單向調(diào)壓塔的功能。由于本工程管道均是仰坡,根據(jù)水錘防護(hù)初步分析管道沿線防護(hù)任務(wù)主要為消除負(fù)壓。箱式雙向調(diào)壓塔在消除負(fù)壓時(shí)需另設(shè)補(bǔ)水池配合工作,其工程布置比單向調(diào)壓塔相對(duì)復(fù)雜。
通過以上分析,并結(jié)合大量的工程,實(shí)踐表明,長(zhǎng)距離輸水管線的水錘防護(hù)不可能單獨(dú)依靠一種設(shè)備來實(shí)現(xiàn),必須依靠多種水錘防護(hù)設(shè)備互相協(xié)調(diào)、互相配合才能有效地對(duì)水錘進(jìn)行防護(hù)。
針對(duì)本工程的特點(diǎn),選擇的調(diào)壓設(shè)施為:軸流式止回閥+雙向調(diào)壓塔+空氣罐,空氣閥及超壓泄壓閥只作為安全儲(chǔ)備措施,不參與水力過渡過程計(jì)算。
泵站進(jìn)、出水池水位級(jí)水泵機(jī)組主要參數(shù)見表1—2。
表1 泵站進(jìn)、出水池水位
表2 水泵機(jī)組主要參數(shù)
根據(jù)規(guī)范并結(jié)合本工程特點(diǎn),本工程水力過渡過程計(jì)算原則如下:
(1)根據(jù)管道承壓能力,沿線最大壓力不超過260m水頭。
(2)管道沿線管頂最小壓力不小于2m水頭。
(3)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(shí)間不應(yīng)超過2min。
工況組合見表3。
表3 工況組合
根據(jù)工程布置,擬定在管線中后部設(shè)置一處空氣罐和一處雙向調(diào)壓塔,其具體參數(shù)及位置見表4。
表4 調(diào)壓設(shè)施布置表
其中,單個(gè)空氣罐體積為28.61m3,水氣比為1∶1。空氣罐有并聯(lián)及梯形兩種布置方式,在并聯(lián)布置中,如圖1所示,每個(gè)空氣罐均有一根補(bǔ)水管,長(zhǎng)度為12.5m,管徑為250mm,所有管道局部損失系數(shù)取5,每個(gè)空氣罐在主管上的間隔為5m;在梯形布置中,如圖2所示,取與空氣罐直連的接管(即圖中的32、30、27、28管道)管徑為250mm,管長(zhǎng)為2.5m,管道局部損失系數(shù)取3,而其余接管管徑均取500mm,管長(zhǎng)為5m,管道局部損失系數(shù)取1;雙向塔與主管連接管長(zhǎng)度取15m,管徑為800mm,局部損失系數(shù)取為1。
圖1 空氣罐并聯(lián)布置圖
圖2 空氣罐梯形布置圖
(1)工況一
空氣罐并聯(lián)布置,計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況,2臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量均為3.25m3/s,水泵出口為軸流式止回閥。掉電后,當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉,零流速時(shí)關(guān)死。
計(jì)算結(jié)果:最大壓力為232m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為2.67m水頭,機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.56m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為16.6m,最高涌浪為34.2m,出水池水位下降約0.35m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn),壓力包絡(luò)線如圖3所示。
圖3 工況一壓力包絡(luò)線
(2)工況二
空氣罐梯形布置,計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況,2臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量均為3.25m3/s,水泵出口為軸流式止回閥。掉電后,當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉,零流速時(shí)關(guān)死。
計(jì)算結(jié)果:最大壓力為235m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為2.51m,機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.26m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為17.6m,最高涌浪為33.1m,出水池水位下降約0.29m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn),壓力包絡(luò)線如圖4所示。
圖4 工況二壓力包絡(luò)線
(3)工況三
空氣罐并聯(lián)布置,計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況,1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為3.25m3/s,另1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1m3/s,水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后,當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉,零流速時(shí)關(guān)死。
計(jì)算結(jié)果:最大壓力為216m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為4.5m水頭,大機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.7r/min,無倒轉(zhuǎn),小機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為26.4r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.75m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.2m,最高涌浪為33.5m,出水池水位下降約0.27m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn),壓力包絡(luò)線如圖5所示。
圖5 工況三壓力包絡(luò)線
(4)工況四
空氣罐梯形布置,計(jì)算一管雙機(jī)的事故停泵工況,1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為3.25m3/s,另1臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為1m3/s,水泵出口均為軸流式止回閥。掉電后,當(dāng)閥門處流速下降至1.5m/s時(shí)開始關(guān)閉,零流速時(shí)關(guān)死。
表5 各工況計(jì)算結(jié)果一覽表
計(jì)算結(jié)果:最大壓力為226m水頭,出現(xiàn)在閥門出口處,管中心最小壓力為4.6m水頭,大機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為13.2r/min,無倒轉(zhuǎn),小機(jī)組最小轉(zhuǎn)速為26.6r/min,無倒轉(zhuǎn),空氣罐最低水位為1.52m,有較大安全余量。調(diào)壓塔最低涌浪為19.9m,最高涌浪為32.5m,出水池水位下降約0.25m。計(jì)算結(jié)果符合過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn),壓力包絡(luò)線如圖6所示。
圖6 工況四壓力包絡(luò)線
經(jīng)過對(duì)本工程的計(jì)算分析可知,對(duì)于長(zhǎng)距離、大流量、高揚(yáng)程輸水管線,雙向調(diào)壓塔與空氣罐結(jié)合的水錘防護(hù)措施能有效地降低水錘壓力,并控制負(fù)壓在理想狀態(tài)。
對(duì)空氣罐并聯(lián)布置和梯形布置的計(jì)算結(jié)果顯示,兩種布置對(duì)防護(hù)效果影響較小,可根據(jù)實(shí)際情況選取合適的布置形式。
計(jì)算中需注意,空氣罐的接管的局部損失系數(shù)對(duì)結(jié)果影響較大,特別是對(duì)于正壓的影響,建議其取值不應(yīng)小于本次計(jì)算中的取值,如果實(shí)際管道不滿足局部損失系數(shù)的要求,應(yīng)考慮增大局部損失系數(shù),在實(shí)際工程施工中,建議盡量接近本次計(jì)算的取值,否則應(yīng)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。