長(zhǎng)距離輸水工程停泵水錘防護(hù)措施研究

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(guó)是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏又分布嚴(yán)重不均衡的國(guó)家，未來的城市化發(fā)展和工農(nóng)業(yè)發(fā)展會(huì)越來越重視對(duì)于水資源的合理調(diào)配。隨著南水北調(diào)、引漢濟(jì)渭等一系列大型引調(diào)水工程的順利進(jìn)行，我國(guó)將會(huì)實(shí)施越來越多的用于優(yōu)化水資源配置的工程。其中，長(zhǎng)距離有壓輸水方式目前運(yùn)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(shí)，由于水泵的突然關(guān)閉，在輸水系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生超過規(guī)范要求的正壓和負(fù)壓，可能會(huì)對(duì)管線系統(tǒng)造成不可逆的損壞，從而嚴(yán)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(yán)重影響[1]。因此，分析長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程、提出合理的水錘防護(hù)措施是十分必要的。

目前水錘計(jì)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(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程，利用計(jì)算機(jī)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(yùn)用較為廣泛，該法有明確的物理概念，可以計(jì)算復(fù)雜的邊界條件，可以滿足數(shù)值計(jì)算解。本文結(jié)合實(shí)際工程，基于Bentley Hammer軟件對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道瞬態(tài)水錘進(jìn)行分析計(jì)算，并提出精確合理的水錘防護(hù)方案，以保障工程運(yùn)行期的安全。

1 工程概況

某提水泵站項(xiàng)目，全程并排布置兩條輸水管線，單條管線全長(zhǎng)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(jī)一管，壓力管道輸水，地下埋管方式鋪設(shè)。選用4臺(tái)型號(hào)為CS500-710的單級(jí)雙吸臥式中開泵，其主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量Q=1 m3/s；設(shè)計(jì)揚(yáng)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(jì)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(jì)算重要參數(shù)

在水錘過程的分析與計(jì)算中，波速是一個(gè)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(hù)

3.1 無防護(hù)措施停泵水錘模型

使用Bentley Hammer軟件設(shè)置好計(jì)算模型，首先進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算，其結(jié)果見圖1。假設(shè)此時(shí)管線系統(tǒng)無任何水錘防護(hù)措施，水泵不允許倒轉(zhuǎn)。泵站在正常運(yùn)行情況下，突然發(fā)生停電事故，水泵機(jī)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(fù)壓為0.098 MPa。而且在管道節(jié)點(diǎn)J6處會(huì)出現(xiàn)大體積空腔，造成液柱分離，形成負(fù)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(jì)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(fù)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(duì)長(zhǎng)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(duì)管線采取一定的水錘防護(hù)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(shí)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(hù)措施設(shè)計(jì)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(hù)措施停泵水錘模型

在實(shí)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(hù)措施是最常見的[7]。而且，對(duì)于水錘的防護(hù)均有很好的效果，其各自的優(yōu)點(diǎn)為：?jiǎn)蜗蛘{(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(fù)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(jiǎn)單，造價(jià)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(hù)水泵及廠房，但當(dāng)出現(xiàn)事故停泵時(shí)，管線內(nèi)水錘壓力會(huì)大大超過管道的設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果

由表2可知，當(dāng)泵后閥門總的關(guān)閥時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速會(huì)越來越大，但對(duì)管道最大負(fù)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(shí)間范圍內(nèi)隨關(guān)閥時(shí)間的增加而減小，超過一定的時(shí)間范圍之后，增加關(guān)閥時(shí)間對(duì)管道最大正壓的減小不僅效果不明顯，而且會(huì)增加水泵的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，對(duì)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(jì)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(duì)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(diǎn)J6處產(chǎn)生的空腔體積并沒有降低。為了進(jìn)一步改善節(jié)點(diǎn)J6處的情況，結(jié)合大量理論研究和工程實(shí)踐，可以在J6處設(shè)置一個(gè)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(diǎn)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(shí)，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(fù)壓，需要進(jìn)一步采取水錘防護(hù)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(fù)壓，依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)，當(dāng)出水管線路較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在管線隆起處設(shè)置排(補(bǔ))氣閥，其數(shù)量和直徑應(yīng)經(jīng)過計(jì)算確定。當(dāng)管線豎向布置平緩時(shí)，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?？諝忾y布置方案見表3。通過軟件模擬計(jì)算，各方案計(jì)算結(jié)果見表4。

圖4 事故停泵管線空氣/蒸汽容積

圖5 事故停泵管線壓力包絡(luò)線

表3 空氣閥及單向調(diào)壓塔布置方案

表4 空氣閥及單向調(diào)壓塔布置方案計(jì)算結(jié)果

由表4分析可知，方案三和方案四均可作為事故停泵水錘防護(hù)措施，但方案四比方案三增加一個(gè)空氣閥，且樁號(hào)K3+300～K3+900處的空氣閥布置過密。從安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，選擇方案三作為本工程的水錘防護(hù)措施。

綜上，管線上布置4個(gè)空氣閥和2個(gè)單向調(diào)壓塔，并配合泵后液控止回蝶閥兩階段關(guān)閉，能有效降低事故停泵水錘的影響。

4 結(jié) 論

1) 利用Bentley Hammer軟件，對(duì)長(zhǎng)距離的復(fù)雜管線系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析其水力過渡過程，可以高效、經(jīng)濟(jì)地幫助工程人員了解管線系統(tǒng)，從而設(shè)計(jì)更安全的水錘防護(hù)措施。

2) 泵站由于發(fā)生事故停泵，會(huì)產(chǎn)生破壞性水錘。在泵后設(shè)置兩階段關(guān)閉閥門不僅可以有效降低管線的水錘壓力，還可以降低水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從而更好地保護(hù)水泵機(jī)組的安全運(yùn)行。

3) 單向調(diào)壓塔對(duì)事故停泵后管道內(nèi)出現(xiàn)的氣穴具有很好的防護(hù)作用。

4) 空氣閥可以有效降低管線系統(tǒng)由于事故停泵產(chǎn)生的負(fù)壓。

5) 在兩階段關(guān)閉泵后液控止回蝶閥的基礎(chǔ)上設(shè)置單向調(diào)壓塔和空氣閥，能有效消除事故停泵后管線內(nèi)的液柱分離再?gòu)浐犀F(xiàn)象，使管線內(nèi)的最大水錘壓力均滿足規(guī)范要求，具有很好的水錘防護(hù)效果。