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泵站过渡过程计算及水锤防护措施研究

2024-11-04 104 上传者：管理员

摘要：文章介绍了水锤的基本概念、泵站水锤的危害、水锤防护研究的目的及意义。通过HAMMER软件对实际工程的供水系统进行数字建模,并对事故停泵时水力过渡过程进行模拟计算,对不同防护措施下的计算结果进行对比,最终提出更适合工程的预防水锤发生的防护措施,从而保证供水系统安全运行,可为类似的工程设计提供参考依据。

关键词：
HAMMER
供水系统
水锤
泵站
过渡过程
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1、引言

在泵站工程运行过程中,水泵启停、阀门启闭、工况变化以及事故断电等引起的供水管线系统压力骤变,使机组产生剧烈振动[1]。由于水锤的发生,使得管道中压力急剧增大或减小,经常超过数倍的工作压力或产生负压,极易引起爆管事故、阀门损坏和紧固件松动,影响生产和生活。因此对长距离压力管段输送系统中水锤防护措施进行研究是很有必要的。

2、水锤的定义和危害

水锤是指在压力管道中由于液体流速的急剧变化（例如水泵突然失电、阀门突然关闭）,造成管中的液体压力显著、迅速、反复变化,由于液体的压缩性和管道的弹性引起的输送系统中的压力波动,在压力急剧升高或降低的位置产生破坏[2]。水锤效应具有很强的破坏作用,对管网的安全平稳运行十分有害,为消除水锤效应的严重后果,常在管路中设置一系列缓冲措施和设备。

水锤有正水锤和负水锤之分。正水锤时,管道中的压力升高,以致管壁产生很大的应力,而压力的反复变化将引起管道和设备的振动,管道的应力交替变化,将造成管道、管件和设备的损坏。负水锤时,管道中的压力降低,应力交递变化,出会引起管道和设备振动[3]；同时负水锤时,管中产生不利的真空,造成水柱断流,水流再次结合进还可能形成弥合水锤,对管道破坏更为严重。

3、泵站工程水锤防护的目的及研究意义

通过对泵站水锤防护的研究,可使泵站工程在运行时更加安全可靠、经济上更加合理、运行管理更加方便。

据《泵站设计标准》（GB 50265-2022）要求：对于“有可能产生水锤危害的泵站,在可行性研究及以后的设计阶段均应进行过渡过程计算[4],并根据各种工况的计算结果,确定合理的水锤防护措施。”本文通过HAMMER软件模拟最不利工况下系统的水锤状况,包括压力、流量等,进而分析超常水锤压力可能出现的情况,校核水泵、阀门和压力管路的承受压力,针对计算结果采用必要的水锤防护措施,寻求最优防护方式,为供水工程的安全运行、优化设计提供技术依据[5]。

4、工程实例概况

山西省某泵站供水工程,进水池水位690.0 m,出水池水位873.5 m,供水流量3.24 m3/s,装机4台,其中1台备用,设计扬程190 m,压力输水管线采用DN1400的钢管,管长1200 m。

水泵相关参数：额定流量Q=1.08 m3/s,额定扬程H=190 m,额定转速n=990 r/min,额定效率82%。

在管道高点0+640和1+120处设置排气阀,排气阀选择防水锤型三动空气阀,口径为2×DN150。

5、HAMMER软件计算原理

5.1 稳态水力计算

沿程水力损失计算采用海曾-威廉公式：

式中：Ch为海曾-威廉系数,钢管取130;Q、D、L分别为管道流量、管径和长度。

5.2 瞬态水力计算

(1）运动方程

式中：υ、H分别为产生水锤时管中的流速和测压管水头；f、D、g分别为管道摩阻系数、管径、重力加速度；x、t分别为水锤波传播的距离、时间。

(2）连续性方程

式中：C为水锤波的传播速度；其余符号意义同前。

压力管道中的水力瞬变过程可由下述一对偏微分方程描述：

式中：Q、A分别为管道中的流量和管道断面面积；其余符号意义同前。

采用特征线法,式（3）和式（4）偏微分方程可以转换为水锤的正负特征线方程。

5.3 波速计算

式中：α为水锤波传播速度；k为水的弹性模量；E为管道弹性模量；D为管径；t为壁厚。

5.4 计算模型的建立

根据泵站工程管道纵断和平面拐点参数,将平面坐标值和高程转化成控制点三维坐标,以电子表格形式导入水锤计算软件,对管线系统进行建模,同时选择进出水池、水泵、阀门、水锤消除罐、排气阀等组件的参数,建立完整的数学模型[6]。泵站压力管线纵剖面模型见图1。

图1 泵站压力管线纵剖面模型图

6、泵站水力过渡过程计算

6.1 泵站主要技术资料

(1）泵站特征参数

表1 泵站特征参数表

(2）水泵资料

本模拟计算水泵资料采取水泵厂家提供的性能曲线。

图2 水泵基本性能曲线图

(3）水泵出口液控球阀资料

水泵出口选用液控球阀作为水泵工作阀,其作用是在水泵起动时关闭此阀门,当水泵达到额定转速、额定压力时开启阀门,以保证水泵轻载启动；在水泵正常停机时先关闭阀门,再停泵；同时在事故停机时,分两段关闭,减轻机组倒转、减小水锤压力。本模拟计算中资料取自液控球阀的实测特性资料,液控球阀开度一流通系数曲线见图3。

图3 液控球阀开度-流阻系数曲线图

(4）压力管道排气阀资料

泵站压力管道上的排气阀选择防水锤型三动空气阀,既能在充水及正常运行时排出管道内的空气,又能在管道内出现真空时进行补气。三动空气阀还具在缓冲装置,在管道内发生水柱分离后的水柱弥合阶段通过限制空气阀的排气速度,在一定时间内使管道内留存空气,形成气囊,通过空气的可压缩性和弹性缓冲快速流动的水对管道的冲击,保护管道安全[7]。空气阀进排气特性曲线见图4。

图4 防水锤型三动空气阀进排气量曲线图

6.2 事故停泵水力过渡过程计算

本计算采取最不利工况,即3台水泵并联运行时同时失电停机时的水泵特征量和压力管道压力分布情况。

6.2.1 泵出口阀门拒动作工况

本工况反应了机组事故断电时出口阀门无法正常关闭工况下的过渡过程计算结果。事故停泵时全线压力包络线及水泵转速变化见图5、图6。

图5 压力包络图（出口阀门拒动）

图6 水泵转速变化图（出口阀门拒动）

水力过渡过程计算结果见表2。

表2 出口阀门不关闭时水力过渡过程计算结果

从以上图表可以看出,在事故断电后第2.67 s,水泵开始倒流,在事故断电后的第4.38 s,水泵开始反转,最大反转转速1341 min,为额定转速的1.35倍,超过《泵站设计标准》要求的“水泵机组最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍”的要求；最大压力为273.82 m,为额定压力的1.44倍,满足《泵站设计标准》要求的“水泵出口工作阀门后的压力不应超过水泵出口额定压力的1.5倍”的要求；最小压力-9.98 m,在1000 m之后管段出现了严重的负压,远超过标准规定值-4 m[4]。为了保证水泵机组的安全,应采取其他措施以防止泵出口阀门拒动作时机组长时间高速倒转,并采取相应措保证管路安全。

6.2.2 泵出口液控球阀优化关闭工况

在选择出口液控球阀关闭程序时,以两阶段关闭,通过调整关闭时间和角度来控制最大水头压力和水泵最大反转转速。事故停泵时全线压力包络线及水泵转速变化见图7、图8。

图7 压力包络图（优化出口阀关闭规律）

图8 水泵转速变化图（优化出口阀关闭规律）

水力过渡过程计算的最优关阀结果见表3。

表3 液控球阀优化关闭时水力过渡过程计算结果

由计算图表结果可见,优化水泵出口液控球阀关闭规律后,有效遏制了水泵机组反转速度及压力升高,均能控制在《泵站设计标准》要求的范围之内。但1000 m之后管段的负压区仍未有明显改善,可通过安装排气阀来实现防护。

6.2.3 泵出口液控球阀加排气阀联合防护工况

由于管道后半段负压严重,且是连续性的负压区,在过渡过程计算中为了控制管路负压,建议在原设计基础上,在后半段压力管线局部凸点处加装2个排气阀,桩号为：1+005、1+122。事故停泵时全线压力包络线及水泵转速变化见图9、图10。

图9 压力包络图（出口阀、排气阀联合防护）

图1 0 水泵转速变化图（出口阀、排气阀联合防护）

本工况下水力过渡过程计算结果见表4。

表4 液控球阀加排气阀防护时水力过渡过程计算结果

由计算图表结果可见,出口液控球阀和排气阀联合防护后,水泵机组反转速度及压力升高均控制在《泵站设计标准》要求的范围之内。管道后半段连续负压有所改善,在设置排气阀的局部点负压明显减小,但最小压力仍有-8.51 m,这时排气阀布置已非常密集,最近2个排气阀相距仅80 m,再增加排气阀已不符合工程实际。

6.2.4 泵出口液控球阀加水锤消除罐联合防护工况

为解决工程后半段管道负压,分别在压力管道不同位置设置水锤消除罐,在事故停机产生负压时补水,平衡压力；在系统出现正压波时又能吸收过多水压,降低水锤压力。利用计算软件分析管道压力分布情况,选择最适合工程的防护方式。

(1）在负压严重的管道凸点设置水锤消除罐

在管道0+860处设置水锤消除罐,水锤消除罐采用内胆式水锤消除罐,容积20 m3,公称压力PN16,罐内预充压力0.33 MPa,连接管采用DN500钢管。事故停泵时全线压力包络图、水泵转速变化及罐内气体变化曲线见图11、图12、图13。

图1 1 压力包络图（出口阀、水锤消除罐联合防护1)

图1 2 水泵转速变化图（出口阀、水锤消除罐联合防护1)

图1 3 罐内气体变化图（出口阀、水锤消除罐联合防护1)

由计算结果可见,出口液控球阀和水锤消除罐联合防护后,系统最大水头压力为244.2 m,最小水对压力为-3.43 m,均控制在《泵站设计标准》要求的范围之内。罐内气体体积由原来的8 m3膨胀至约17 m3,说明水锤消除罐内仍然有足够的水体。

(2）在泵站厂区总管起始段设置水锤消除罐

水锤消除罐采用内胆式水锤消除罐,容积30 m3,公称压力PN40,罐内预充压力0.76 MPa,连接管采用DN500钢管。事故停泵时全线压力包络图、水泵转速变化及罐内气体变化曲线见图14、图15、图16。

图1 4 压力包络图（出口阀、水锤消除罐联合防护2)

图1 5 水泵转速变化图（出口阀、排气阀联合防护2)

图1 6 罐内气体变化图（出口阀、水锤消除罐联合防护2)

由计算结果可见,出口液控球阀和水锤消除罐联合防护后,系统最大水头压力为272.6 m,最小水对压力为-3.92 m,最高反转速度-1117 r/min,均控制在《泵站设计标准》要求的范围之内。罐内气体体积由原来的12 m3膨胀至约25 m3,说明水锤消除罐内仍然有足够的水体。

通过以上两种水锤消除罐设置位置计算发现,合理地选择水锤消除罐参数能够有效地控制瞬态水头变化幅度,大范围解决管道负压问题。在管道凸点设置水锤消除罐,所需罐容积更小,公称压力更低,在管道负压相对集中的管段设置水锤消除罐更为经济；而在压力管道起始端设置水锤消除罐,虽然罐容积和公称压力均偏大,但罐可以考虑布置在厂区或泵房内部,更加方便运行管理和维护,还解决了在管道中段建罐室的永久占地问题。

计算证明,在采取水锤消除罐与液控球阀联合防护之后,最大和最小水头包络线均控制在《泵站设计标准》要求的范围之内,输水管道系统瞬态没有出现水柱断裂现象。

7、泵站水力过渡过程的数值模拟计算结论

(1）当事故停泵阀门拒动作时,机组将发生高速倒转将对机组造成严重损害。机组从失电停泵到机组开始倒转时间难以及时手动关闭球阀,因此必须考虑其他措施以保护机组安全[5]。

(2）在优化液控球阀关闭规律后可以有效防止机组倒转,减小水锤压力,但管道后半段负压问题没有得到改善。

(3）泵站压力管线设计安装的防水锤空气阀,对压力管线的安全起到一定防护作用,使得局部点负压明显减小,但难以解决大范围的连续负压区。

(4）水锤消除罐在输水管内压力升高时,罐内气体被压缩,吸收正压；当输水管内形成负压时,向管道补水。合理选择水锤消除罐容积和预充气体压力能把水头控制在规范要求的范围内。

8 关于泵站水锤防护的几点建议

(1）事故停泵水力过渡过程计算时,是否会产生负压和弥合水锤以及其发生的位置,与工程具体的管道设计紧密相关,因此管线布置是否合理对水力过渡过程计算结果影响很大。

(2）水锤消除罐安装、维护管理简单,能有效地消除管道负压,确保输水管道系统在瞬态情况下免受水锤威胁。水锤消除罐总容积、连接管径、预充气体压力等参数需通过专业软件精确计算确定。

(3）泵压供水管线工程设计中,宜采用集进排气阀、微量排气阀及排气节流缓冲装置与一身的三动空气阀,在实际工程管线系统内发生弥合性水锤时,通过限制空气阀的排气速度,缓冲快速水流对管道的冲击,从而保护管道安全。

参考文献:

[1]朱红耕,杨鼎久,周明耀.消除泵站振动危害提高水泵装置效率[J].中国农村水利水电,1996,(Z1):67-69.