水力过渡过程计算在襄汾县水源替换工程中的校核应用

张士俊,闫 强,蔺彬彬

(1.山西水利职业技术学院,山西 太原 030032;2.太原理工大学建筑设计研究院,山西 太原 030024;3.太原理工大学 水利科学与工程学院,山西 太原030024)

襄汾县属山西省地下水超采严重、岩溶泉水环境问题较为突出的汾河流域治理范围。用地表水替代地下水,引入客水,解决襄汾县地下水开发利用率较高区域的超采问题,向重点发展的工业、农业区域提供可靠的地表水资源,改变当地用水条件,调整产业和种植结构,促进采用高效节水措施,改善当地生态环境是非常有利的。山西省地下水超采区综合治理襄汾县水源替换供水工程,是将客水通过工程措施引入工业园区,使引入的地表客水资源合理配置,置换地下水,解决襄汾县工业园区地下水超采,使地下水超采区逐步实现水资源可持续利用,改善当地生态环境,主要涉及输水管线(包括自流管线、部分压力管线)及加压泵站,解决输水问题。

文章在水泵工作点理论研究的基础上,建立简单管水力过渡过程数学模型、复杂管水力过渡过程数学模型[1],并确定初始条件和边界条件。本次泵站水力过渡过程计算遇到串联管和分岔管的问题,采用“等价水管法”“截支法”进行简化计算[2]。针对方案中的泵站设计,进行泵站稳态运行特性分析、泵站水泵运行无阀防护下的过渡过程分析、泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀关闭时间和角度分析、泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀及进排气阀联合防护的模拟计算[3],为整个供水系统安全的自动化提出建议。

1 工程概况

本工程为供水工程,受水区地形高程为 541.95 m,取水口管中心线高程为 438.4 m,富余水头变幅为 25～29 m,利用富余水头自流至泵站;泵站地面高程为 458.6 m,供水末端地形高差为 541.95 m,需设置加压泵站对来水加压后输水。泵站共4台水泵(三工一备),水泵型号为 DFSS300-4N/4A(双吸泵),管线总长 26 701.3 m,分自流和压力输水段的运行情况。工程管材主要采用 2 种,一种为球墨铸铁管,主要在自流管段使用,管径选 DN800,承插连接;另一种为钢管,主要在压力输水管段使用。

2 模型建立

复杂管道水力过渡过程数学模型与单管水力过渡过程数学模型相同,但在计算复杂管道水力过渡过程时管道的管径、流量、波速等值略有变化。在本次泵站水力过渡过程计算遇到串联管和分岔管的问题。

串联管的水力过渡过程简化计算:(1)等价水管法:是将串联管转化为简单管后应满足管长、相长和管中水体动能等与原管相同的原则。(2)截支法:将暂不涉及的支管截去,按支管段实际值计算其长度、断面积、流量、波速。

3 校核过程

3.1 一台水泵运行稳态及水锤计算分析

3.1.1 泵站稳态运行特性分析

结合设计单位提供的资料,计算在一台泵工作点流量运行时,其水头损失、泵站一台水泵运行稳态计算结果。

3.1.2 泵站水泵运行无阀防护下的过渡过程

从表1中可以看出,阀门拒动作时,管路最大正压为 102.96 m,接近额定压力。最大负压为-10 m,不满足规范。最大倒转转速-1 605 r/min,是额定转速的 1.08倍,满足规范要求。综合考虑:(1)需要进行蝶阀两阶段关闭防护,以防止泵出口无阀门防护或是当阀门拒动作时,倒转转速过大对水泵造成的损坏及负压过大造成的管路安全隐患[4];(2)采取工程措施降低管道布置高程,使正压满足要求。

表1 一台水泵运行时停泵阀门拒动作时水力过渡过程结果

3.1.3 泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀关闭时间和角度

由表2中数据可知,在一台泵并联运行采用两阶段蝶阀防护时,采用2.5 s快关75°,20 s慢关15°关阀方式,蝶阀防护时管路最大压力为 102.93 m,接近额定压力1倍。最大负压为-10 m,不满足规范要求[5]。水泵无倒转,满足规范要求。管道最大压力在泵后15 000～16 200 m 之间仍为负压,低于管道布置中心线,不满足要求。因此,必须采取工程措施降低管道高程。

表2 停泵两阶段液控蝶阀优化关闭时水力过渡过程结果

备注:文章所有表中的公式如下:(mH2Omax)正—最大正压(m);mH2Omax负—最大负压(m);r/minmax倒—最大倒转转速(r/min);r/min(0)—转速为零时刻(s);Q(0)—流量为零时刻(s);mH2O额定—额定压力(m);(r/min)额定—额定转速(r/min)。

3.2 两台水泵运行稳态及水锤计算分析

3.2.1 泵站稳态运行特性分析

结合设计单位提供的资料,计算在一台泵工作点流量运行时,其水头损失、泵站两台水泵运行稳态计算结果。

3.2.2 泵站水泵运行无阀防护下的过渡过程

经计算可知,不同工况下除管路最大负压不满足规范要求外,管路最大正压、水泵最大倒转转速均满足规范要求。因此,根据工程实际布置情况,需要采取两阶段液控蝶阀进行防护,以此来改善水泵最大倒转转速及管路最大负压。

3.2.3 泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀关闭时间和角度

经计算可知,时间、角度分别关闭 2.0～2.4 s、70°～75°和 12～18 s、15°～20°,除管路最大负压偏大不符合规范要求外,最大正压、水泵最大倒转转速均符合规范要求,在此基础上考虑增加进排气阀来改善管路负压状态。

3.2.4 泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀及进排气阀联合防护的模拟计算

根据蝶阀计算结果,两台泵并联运行时,加34个口径均为 DN150 的排气阀。

由表3中数据可知,采用蝶阀加进排气阀联合防护下,两台泵并联运行时,管路最大正压满足规范要求,水泵没有发生倒转,管路整体负压情况改善。

表3 两阶段联合防护工况下水力过渡过程结果

3.3 三台水泵运行稳态及水锤计算分析

3.3.1 泵站稳态运行特性分析

结合设计单位提供的资料,计算在三台泵工作点流量运行时的水头损失、泵站三台水泵运行稳态计算结果。

3.3.2 泵站水泵运行无阀防护下的过渡过程

经计算可知,不同工况下除管路最大负压不符合规范要求外,最大正压、水泵最大倒转转速均符合规范要求。因此,根据工程实际布置情况,需要采取两阶段液控蝶阀进行防护,以此来改善水泵最大倒转转速及管路最大负压。

3.3.3 泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀关闭时间和角度

由表4可知,时间、角度分别关闭 2.0 s、72°和 15 s、18°,除管路最大负压偏大不符合规范要求外,最大正压、水泵最大倒转转速均符合规范要求,在此基础上考虑增加进排气阀来改善管路负压状态。

表4 停泵两阶段液控蝶阀优化关闭时水力过渡过程结果

3.3.4 泵站水泵运行两阶段缓闭蝶阀及进排气阀联合防护的模拟计算

根据蝶阀计算结果,三台泵并联运行时,加34个口径均为DN150的排气阀。

由表5中数据可知,采用蝶阀加进排气阀联合防护下,三台泵并联运行时,管路最大正压满足规范要求,水泵没有发生倒转,管路整体负压情况改善。

表5 两阶段液控蝶阀加进排气阀联合防护时水力过渡过程结果

4 结语

(1)本报告基于设计单位提供的设计资料,计算了所有系统运行中可能的工况,总体评价设计单位提出的方案是可行的。

(2)由计算结果看出,无论一台、二台及三台水泵,运行阀门拒动作压力max、压力min、倒转速max均超出规范要求,因此从对管路的安全运行考虑,设计中附加两阶段液控止回蝶阀防护设备是合理的。

(3)由计算结果分析可知,两阶段液控止回蝶阀防护下的压力管线,明显改善了其压力分布状态,但在实际运行时需要通过与进排气阀结合,因此设计中提出的这一措施是复合规范的要求的。