管线改造及调节水泵转动惯量的长输水管线水锤防护
2012-07-15韩建军王新亮
韩建军 唐 迪 王新亮
(大连市供水有限公司 116021)
我国长距离输水管线水锤防护设备价格昂贵，不适合大量使用。本研究结合工程实例，通过模拟计算长输水管线传统水锤防护、管线改造水锤防护及调节水泵转动惯量水锤防护方案，经多方案技术经济比较后确定最优水锤防护方案。
1 水锤防护措施原理
本研究长距离输水管线水锤防护措施有设置单向调压塔、调节水泵转动惯量、单线改建为双线［1］。
1.1 单向调压塔
计算公式为
当Hp3≤Hp，Qp3=0 时
以上式中 Qp1——流经调压塔前管内流量，m3/s;
Qp2——流经调压塔后管内流量，m3/s;
Qp3——流出调压塔流量，m3/s;
Ca——调压塔出口流量系数;
AP——补水短管的过流面积，m2;
HP3——调压塔水位，m;
HP——管中压力，m;
Smax——调压塔内浮球阀控制最高水位(常数)，m;
Z——塔相对于基准面高度，m;
Q3——塔内流量，m3/s;
Δt——调压塔出流时间，s;
F——塔断面面积，m2。
1.2 水泵转动惯量
转动惯量
以上式中 J——水泵转动惯量，kg.m2;
G——刚体的总重量，N;
D——(回转)直径，m;
g——重力加速度，N/kg;
M反——机组轴上所受减速阻矩;
当发生停泵水锤时，机组转子转动惯量J 越大，角减速度的绝对值越小，即机组转速降低速度越慢，避免了管路中流速和水压的急剧降低，改善了水力过渡过程中的压力猛烈波动状况，从而达到停泵水锤防护的效果。
1.3 单线改建为双线
将原单线长输水管线改建为双线输水，在一定程度上降低管线内流速，当发生停泵水锤时，可起到水锤防护的作用。
2 水锤求解方法
本研究采用特征线法［2，3］求解。水锤计算的特征差分方程为
QL1、QL2——管道L1、L2 两点的瞬态流量;
HL1、HL2——管道L1、L2 两点的瞬态水头;
CT、Cn——水锤特征沿程的特征参量;
Ca——管道的特征常数;
Cf——管道的摩阻性常数;
g——重力加速度;
a——水锤波速;
f——管道的阻力系数;
Δt——选定时间步长;
D——管道直径;
A——管道过流面积。
3 水锤防护方案实例
3.1 工程简介
大伙房水库输水应急入连工程设计输水流量90万m3/d，为泵送单管输水，其中盖州泵站设水泵6台(4用2备)。设2台变频调速水泵，4台恒定水泵。水泵额定流量为9375m3/h，扬程为106.12m。盖州泵站前端水池水位为46m，后端水池水位为142.84m，两水池间管线全长738.9m，均为钢管，承压能力为1.2MPa，管线直径为2800mm。
该管线首尾高差大，每台水泵后设有一台缓闭液控止回阀。管线上设计有8个直径200mm的真空吸气阀。
该工程稳态计算结果见图1。
分析可知:全线静压均满足承压能力要求，管线承压能力设计合理。
图1 管线稳态运行状况
3.2 水泵防护方案比选
在现有设备条件下，止回阀第一阶段2.0s 内线性关闭80%，30s 内关闭100%。水锤防护效果见图2。
图2 事故停泵水锤后果
分析可知:事故停泵后局部管线负压严重，现有设备不能满足水锤防护要求，有必要改建水锤防护方案。
研究针对前述水锤防护措施制定多种水锤防护方案进行计算比较。
3.2.1 方案一(单线单向调压塔)
如图3 所示，该方案在原设计基础上距管线末端385m 处增加单向调压塔1个，直径4m，水深30m，最高水位122m，DN1400 管连接干管。事故停泵后，止回阀关闭时间为在2.0s 关闭80%，30s 关闭100%;隧洞入口前池起到调压塔作用，蓄水100m3。
计算结果见图4。
图3 方案一管线上的水锤防护设备
图4 方案一事故停泵管道压力
分析可知:在该水锤防护设备方案下，事故停泵时管线最大压力约140m，但仍小于1.5 倍承压能力，全线负压满足要求。
3.2.2 方案二(单线调节水泵转动惯量)
该方案管线全线采用DN2800 单线，事故停泵后，止回阀关闭时间为在2.0s 关闭80%，30s 关闭100%;隧洞入口前池起到调压塔作用，蓄水100m3。水泵机组转动惯量为470kg·m2。计算结果见图5。
分析可知:在该水锤防护方案下，事故停泵时管线全线最大压力为143.0m，小于管道的1.5 倍承压能力，全线负压最大值为-2.6m，满足要求。
3.2.3 方案三(双线调节水泵转动惯量为295kg·m2)
管线前端采用DN2200 双线计420m(在桩号122+924.7 处合并)，其余采用DN2800 单线，水泵机组转动惯量为295kg·m2。根据前述的空气阀布置方案，全线共设计空气阀井4 处，每处安装DN200的空气阀2个，共计8个DN200 空气阀;各水泵压水管安装液控缓闭止回阀1个，事故停泵后，止回阀动作为2s 内关闭80%，30s 内全部关闭。计算结果见图6。
图5 方案二事故停泵管道压力
图6 方案三事故停泵管道压力
分析可知:事故停泵时管线全线最大压力为172.1m，小于管道的1.5 倍承压能力，全线负压最大值为-2.0m，满足要求，水泵运行状态以及泵后压力满足要求。
3.2.4 方案四(双线调节水泵转动惯量为320kg·m2)
管线前端采用DN2200 双线计160m(在桩号122+662.7处合并)，其余采用DN2800 单线，水泵机组转动惯量为320kg·m2。根据前述的空气阀布置方案，全线共设计空气阀井4 处，每处安装DN200的空气阀2个，共计8个DN200 空气阀;各水泵压水管安装液控缓闭止回阀1个，事故停泵后，止回阀动作为2s 内关闭80%，30s 内全部关闭。计算结果见图7。
图7 方案四事故停泵管道压力
分析可知:事故停泵时管线全线最大压力为136.2m，小于管道的1.5 倍承压能力，全线负压最大值为-2.7m，满足要求，水泵运行状态以及泵后压力满足要求。
3.3 方案优选
根据上述水锤防护方案(见下表)，通过技术经济比较后确定一个较优的水锤防护方案。
综合比较上述四个方案，方案四因其工程造价低、设备简单、最易于实施，最终被确定为最佳方案。
水锤防护方案优选表
4 结 语
对于首尾落差大的长距离输水管线，将单线改建为双线，通过调节管径降低流速，并配合调节水泵转动惯量，水锤防护效果较为理想，工程造价较低，是今后长输水管线水锤防护的发展方向。
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