密闭有压输水系统泵组联合启动数值模拟研究

王国卿

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

大伙房水库输水(二期)工程为辽宁省长距离、多目标、大流量、全线密闭、有压输水管道系统，全线约261km，自上而下设抚顺、沈阳1、沈阳2、辽阳、鞍山和营盘6座配水站及8座双向稳压塔，管线中间无任何调蓄设施，整个输水系统属于有压密闭系统。

其中，鞍山配水站分三路向鞍山市、大连、营口盘锦方向输水，目前大连支线为加压供水方式。来水经过鞍山站，经1×DN2800、长度700m的PCCP管线直接进入大连泵站进行加压，泵前无调蓄设施。站内共设6台泵组，3台变频泵组(2#、3#、4#)和3台工频机组(1#、5#、6#)，单台设计流量均为22.5万m3/d。当前大连支线日供水量65万m3，3台变频泵组运行。大连支线管线全长120km，DN2800PCCP管，设计压力为1.5倍承压能力。

对于有压管道输水，依据水力学非恒定流理论，当输水系统加压泵组开机、管道阀门短时间内启闭将产生水击，导致液体内部压强产生大幅度迅速交替升降。如果不能合理设置泵组启动方式、阀门开度和开关时间以及正确选用不同泵组运行组合，这种交替升降的压力波将严重危及输水系统的运行安全。因此，泵组的启动以及工频、变频泵组混用的联合启动过程研究对管线系统的安全具有重要的意义。

1 泵组运行方案设定

1.1 泵后阀门调控设置

启泵过程：泵后液控阀15s线性开阀至全开，工频泵组泵后检修阀开度为15°。

停泵过程：泵后液控阀关闭时间为：第一阶段5s，快关70%开度；第二阶段40s，慢关30%开度。

1.2 启动调度方案设定

(1)4#变频泵组停机，调整2#、3#变频泵组，控制供水量至45万m3/d以下；启动5#工频泵组，调整2#、3#变频泵组，使2#、3#、5#泵供水量至75万m3/d；再启动4#变频机组，调整2#、3#、4#变频机组使2#、3#、4#、5#四台机组供水量至78万m3/d。

(2)2#、3#变频泵组停机，4#变频泵控制供水量至25万m3/d以下；启动1#工频泵组，调整1#和4#泵，使两台泵供水量至45万m3/d以下；启动2#变频机组，停4#变频机组，调整2#变频机组，使1#、2#机组日供水量至45万m3/d；再启动5#工频泵组，调整1#、2#、5#泵组，使三台泵供水量达到75万m3/d；最后启动4#变频机组，调整1#、2#、4#、5#机组使四台机组日供水量至78万m3/d。

2 水力过渡过程数学模型

输水管道系统中的水力过渡过程，即对水击作用进行数值研究，本文采用特征线法进行数值模拟：

式中，B=a/(gA),R=fΔx/(2gdA2);a—水击传播速度；g—重力加速度；A—某管道截面面积；f—摩阻系数；—某管道分段长度；d—某管道截面直径；M、P、Q—某管道的连续3个截面；Q—某管道截面流量；H—某管道截面压力水头。

管道系统边界点主要包括管道末端、泵阀端及各种水锤防护设备端等，其边界方程基于边界点水头平衡方程。边界节点的定解关系由能量守恒以及质量守恒关系确定，即在边界节点处满足水头相等且流量守恒。加压泵站边界引入水泵特性曲线来反映水泵过流量与泵扬程之间的关系，用数学方程表示为：

H=a1Q+a2Q2+Hs

式中，Hs—水泵断流水头；水泵过流量Q由泵后蝶阀在某时刻t的开度τ确定。

3 模拟计算结果及分析

3.1 方案一模拟

(1)停4#变频机组，2、3#变频机组控制供水量至供水量45万m3/d以下，立即开启5#恒速机组，调整2、3#变频机组，使2、3、5三台机组供水量至75万m3/d。该过程模拟结果如图1—2所示。

图1 75万大连支线压力包络线

图2 75万水泵出水管压力流量曲线

(2)开启4#变频机组，调整2、3、4#变频机组使2、3、4、5#四台机组供水量至78万m3/d。该过程模拟结果如图3—4所示。

图3 78万大连支线压力包络线

图4 78万水泵出水管压力流量曲线

由图1—4可见，2台变频+1台工频泵工况下，随着泵，泵组出口压力降低，70s后压力和流量相应达到最低；工频泵组启动后瞬间流量超75万m3/d，调节变频泵组后趋于稳定，320s时管线出现最大压力129.8m，流量相应波动。后续增量过程压力、流量无大波动，240s时压力值未超120m。

整个计算过程全线最大压力(自由水头)基本在管线承压范围内，最大压力为129.8m(桩号12+140.45处)，未超过正压上限1.5倍承压能力，最小压力为-2.2m(桩号0+393.88处)，在负压下限-10m以内，满足水锤防护要求。

3.2 方案二模拟

(1)鞍山泵站首先停2#、3#变频机组，4#变频机组控制供水量至日供水量25万m3/d以下，立即开启1#恒速机，调整1#和4#机组，使两台机组稳定运转，日供水量至45万m3/d以下。该过程模拟结果如图5—6所示。

图5 45万大连支线压力包络线

图6 45万水泵出水管压力流量曲线

(2)开启2#变频机组，停4#变频机组，调整2#变频机组，使1#、2#机组日供水量至45万m3/d。该过程模拟结果如图7—8所示。

图7 轮泵过程大连支线压力包络线

图8 轮泵过程水泵出水管压力流量曲线

(3)开启5#恒速机组，调整1#、2#、5#机组，使日供水量达到75万m3/d；再启动4#变频机组，调整1#、2#、4#、5#机组使四台泵组日供水量至78万m3/d。

图9 78万大连支线压力包络线

图10 78万水泵出水管压力流量曲线

由图5—6可见，在1台变频+1台工频泵工况下，工频泵组的启动全程压力为超管线承压能力，但水泵出口管线压力波动频繁、持续时间长，在800s后才趋于平稳。

比较图5—8可见，变频泵组的轮换对系统压力、流量的影响较小，全程压力波动点集中，泵后压力波动幅度在10m左右，操作过程的有效调节控制十分关键。

由图9—10可见，1台变频+2台工频泵联合增量至75万m3/d时，基本全程管线压力超出承压范围，在240s时桩号0+808.10处出现最大压力149.9m(未超过正压上限1.5倍承压能力)，工频泵组启动瞬间泵后管线桩号119+695.9处出现最小压力-2.5m(在负压下限-10m以内)；后续启动变频泵组由75万m3/d增至78万m3/d过程，压力变化与方案一中情形基本一致。

综合方案一、二，在变频和工频泵组不同组合联合运行时，工频泵组的启动过程，对系统压力波动较变频泵组更为明显。在工况一下泵组联合启动时，瞬时最大压力较工况二大20.1m，最小负压增加0.3m，因此水击风险更高。但由于二者均未超管线设计压力，可认为起、停泵过程阀门开度和开关时间设置合理。

4 结语

加压泵站是水利输配水系统中常用的加压设施，如何既能实现加压目的，又能最大限度保证供水系统的安全稳定是泵组设置的核心要素。本文结合大伙房水库密闭有压输水系统大连支线串联加压泵站不同泵组运行工况的数值模拟计算，得出以下几点结论。

(1)泵组出口液控阀的开关方式及时间设置直接影响水锤和负压的产生及程度。开阀建议不超过20s，关阀分阶段执行，快关时间在6s左右为宜，关阀不超80%，慢关时间根据水锤时间确定。

(2)在密闭有压系统中，工频泵组参与运行调节大大增加了输水系统的运行风险，在泵组启动的前360s内，泵后压力出现从最小到最大的波动；变频泵组的启停及轮换过程波动影响较小，泵后压力波幅度在操作过程可人为有效调节控制。

(3)在目标供水量相同的情况下，启动3台变频+1台工频泵和启动2台变频+2台工频泵工况，泵后管线最大压力升高20.1m，最小负压增加0.3m，水击风险明显增加。

(4)建议在有压密闭输水系统中，特别是不设调蓄设施的加压泵站应尽量采用变频泵组，慎用工频泵组，这对后续的运行管理至关重要。