空气阀口径对长距离输水系统停泵水锤防护效果影响分析

2023-12-19范征

陕西水利 2023年12期

范征

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃兰州 730000）

1 引言

在长距离泵站输水系统中,受地形和沿途建筑物等限制,整个管线布设起伏曲折。此类泵站工程在水泵突然失电停机后极易引起管路系统中压力的剧烈升高与降低。当水锤现象发生时,由于管线较长,在管线中某些位置压力下降形成负压甚至低于水的饱和蒸汽压力,发生汽化,形成气体空腔,出现水柱分离现象；当正压波返回该处时,由于波的叠加效果再加上蒸汽空腔挤压破裂,两股分离的水流发生剧烈相撞,压力突然升高,形成断流弥合现象,这种压力非常之高,超出管路的承压很容易发生爆管。在泵站输水工程中,水柱分离和断流弥合瞬变现象对系统危害巨大。

目前,工程中常用的水锤防护措施主要有：单向调压塔、双向调压塔、空气压力罐、空气阀、水泵控制阀等措施[1]。为了解决管线中排气、补气问题,在管线适当位置装设空气阀是非常必要的。当空气阀位置处管内压力低于大气压力时,空气阀自动开启,空气进入管线中,防止负压恶化；当空气阀位置处管内压力高于大气压力时,多余气体通过空气阀排出,同时管内液体不排出。由于空气阀的结构简单,安装方便,经济投资少,且防护负压效果显著等特点,因此在现阶段大量输供水系统中空气阀作为防护水锤的措施有非常广泛的应用[2-3]。但是在实际工程中空气阀大部分根据工程经验进行布设,由于布设不当引起的管线破裂、压扁等运行安全问题也时有发生。同时,目前输水工程中常采用可“大进缓排”防水锤型空气阀,则空气阀的口径选择也对水锤防护有较大影响[4]。本文以工程实例为例,对输水系统进行水力过渡过程模拟计算,并提出适用于该工程的空气阀口径及停泵水锤防护方案。

2 水锤计算方法

2.1 水锤计算的特征线法

泵站水锤的计算是对整个水泵抽水装置进行计算分析,包括管道内点及与管道连接的泵装置中的各部分（边界点）。通过对水锤基本方程,即运动方程及连续性方程联立,采用求解偏微分方程特征值的方法进行方程求解。因此,通过采用特征线的方法将该偏微分方程组进行离散,列出自特征线方向转换出的两列水锤全微分方程：

由式（1）和（2）进行有限差分近似,可以得到对应于图1 所示的水锤离散特征线方程组：

图1 水锤计算的特征线网格

解上述方程可得：

式中：Cp、CM为特征线方程的已知常数；B 为管道的特性常数,R 为管道摩阻特性常数,R= fΔx/（2 gDA2）；Q、H 分别为管道流量,m3/s,测压管水头,m；A 为管道断面积,m2；f为管道摩阻参数；Δx 为网格管段长度。

2.2 空气阀边界条件

空气阀边界条件的物理模型见图2。假定管内压力大于当地大气压时,该点无气体排出；管内压力低于当地大气压时,空气随即流入该点,管道截面即为特征线方程所计算的管道内点。根据前述假定,管内流入的空气满足如下气体定律：

图2 空气阀的边界条件

由图2中给出的符号及质量守恒定律,可将式（6）表示为：

与之相连的管道相容性方程为：

建立压力水头之间的关系为：

将式（7）～（9）联立得：

空气质量流量方程可由流经空气阀的空气质量流量与压力、温度等导出[2]。求解空气阀的边界条件,则联立空气质量流量方程及式（10）即可。

3 工程实例

3.1 工程概况

引洮一期会宁北部供水工程水厂泵站提水管线全长18.82 km,总管管径0.5 m,进水池设计水位1547.8 m,出水池设计水位1638.1 m,泵站设计流量0.242 m3/s,设计扬程162 m。泵站共设3 台卧式单级双吸离心泵（2 用1 备）,单泵设计流量0.121 m3/s、设计扬程162 m,额定转速2960 r/min。在水泵出口,设置多功能水泵控制阀。

3.2 无防护措施停泵水锤计算

在无任何水锤防护措施的事故停泵工况下,管路沿线负压严重,大部分出现汽化（-8.3 m）,无防护措施工况下水力坡度线见图3。水泵流量及转速变化曲线见图4,由图可知,在无防火措施工况下,水泵机组倒流倒转严重,不满足相关规范要求。

图3 无防护措施工况下管线水力坡度线

图4 水泵流量、转速～时间曲线

3.3 泵后控制阀动作,不设空气阀的水锤计算

由上节计算结果可知, 在无防护措施工况下, 管线负压严重, 大部分管线发生汽化, 且水泵倒流倒转明显, 如无有效措施防止水泵的倒流倒转将严重缩短水泵的运行使用寿命。

多功能水泵控制阀是一种工程常用的泵后工作阀门,其可以通过水力自控的方式实现启泵开机以及停泵关闭止回,尤其在停泵关阀阶段,可以实现两阶段关闭即第一阶段快关阀门开度的70%～90%,第二阶段慢关至阀门关死,能满足水锤需要,是较为理想的水泵工作阀门。本工程水泵出口采用多功能水泵控制阀作为泵后工作阀门。

根据多功能水泵控制阀工作原理,其在停泵后管线流量接近0 时大阀瓣关闭,即第一阶段快关完成,进入第二阶段慢关状态。根据工程经验,一般第二阶段慢关时长可为快关时长5～8 倍。

根据上节计算成果,本工程事故停泵后,水泵开始倒流的时间约为停泵后19 s,则根据工程经验及多次数值模拟计算结果,选择泵后控制阀关阀规律为第一阶段0～19 s 关至80%,第二阶段19 s～90 s 关至100%。事故停泵后泵后控制阀动作工况下水泵流量及转速变化曲线见图5。计算结果显示,水泵最大倒转速度为-2169 r/min,倒转时间低于2 min,满足相关规范设计要求。说明水泵出口阀门关闭规律在合理范围内。

图5 水泵流量、转速～时间曲线

3.4 泵后控制阀动作,设空气阀的水锤计算

在事故停泵泵后阀门关闭,不设空气阀工况中,虽然水泵的倒流倒转情况得到改善,但由于管路沿线并未做水锤防护措施设置,因此管线负压水锤依然严重,尤其管线后段产生高压弥合水锤明显。为解决管线负压问题,在管线凸起点及高压弥合水锤严重部位装设空气阀共25 个。空气阀采用快进缓排型防水锤空气阀,选取进气口径为80 mm,排气口径为10 mm。装设空气阀后事故停泵下水力坡度线见图6。由表1 计算结果可知,在空气阀口径80/8 时,管线负压为-7.3 m,管路沿线未出现汽化现象。说明装设空气阀可以有效控制管线负压水锤。

表1 不同工况下计算结果统计表

图6 装设空气阀工况下管线水力坡度线

3.5 空气阀口径优化

根据上节成果可知,空气阀对管线负压水锤防护有效。根据空气阀的结构及功能特点,空气阀口径技术参数为可大口进气的大口进气口径以及具有缓冲排气作用（缓冲板）的小口排气口径。为确定该技术参数,本次分别对大口口径80 mm、50 mm、100 mm,小口口径20 mm、10 mm、8 mm、5 mm、2 mm 进行水力过渡过程计算,以优化空气阀口径参数。计算成果见表1。

由表1 数据分析可得,当空气阀小口口径一致时,大口口径越大对负压防护越好,但大至一定规格反而效果不明显,这说明空气阀大口口径并不是越大越好,分析原因是在该点需补气量在一定口径范围内即够用,另外,若口径较小时有补气不足的问题产生。当空气阀大口口径一定时,小口口径越小对负压防护越好,这是因为空气阀的小口具有缓排的功能,能够使进入管线的空气在排出时具有缓冲作用,以此缓解水锤,但由于空气阀小口是设置在其缓冲板结构中,过小的小口口径不利于部件加工,且易产生堵塞问题。结合空气阀口径优化成果,本工程空气阀口径参数选取为80/5。