[推荐]：多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护问题及设计实例(下)

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多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护问题及设计实例(下) - 给排水论文



摘要： 远距离输水工程中易发生多处水柱分离并造成断流弥合水锤危害，在这种泵站管路设计中，应作全面的水锤电算分析并提出综合防护措施。总结多年来的研究成果，论述了多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护设计中的几个基本问题，着重阐述了多点固定完全断流型空腔数*.理模型的建立与运用，单向注水与注空气(缓冲)问题，多处单向注水电算源程序的编制，并详细地给出Z市远距离输水工程水锤与综合防护的设计实例。 关键词： 远距离输水 水锤 水柱分离 断流弥合水锤 综合防护 电算程序 单向调压塔 2　设计实例 　　2.1　工程概况 　　 Z市给水工程（管道工程）包括取水泵站和输水干（管）线两大部分。取水泵站设计流量为1.91 m 3 /s，输水干线一根，总长18.9 km，管径为DN=1400，管材主要为预应力钢筋砼管。泵房内设置32SA-10JC离心泵3台，2用1备。水泵额定流量1 m 3 /s，额定扬程34 m，额定转速495 r/min，轴功率385.4 kW，额定效率86.5%，额定转矩7438.9 N·m，比转数91，水泵叶轮转动惯量（带水、不计联轴器）24.2 kg·m 2 ，水泵叶轮飞轮矩949.61 N·m 2 。电机型号为Y5609-12，额定功率500 kW，额定转速493 r/min，转子转动惯量121 kg·m 2 ，电机转子飞轮矩4748.04 N·m 2 ，水泵机组总转动惯量145.2 kg·m 2 ，总飞轮矩5 697.65 N·m 2 。 　　输水干线纵断面见图1（标高为黄海绝对高程，下同）。由于干管线很长，地形一起一落，呈鱼背状；水泵的几何扬程低，加之水泵站中机组转动惯量J又很小，因此发生停泵水锤时，在整个泵管路系统中将发生明显的水力过渡过程（水锤），特别是全管线中压力剧降，导致多处水柱分离，随后将产生具有破坏性的断流弥合水锤。 　　图1　输水干线纵断面 2.2　水锤计算分析内容及目的--水锤危害预测 　　水锤分析的内容及目的是：结合本工程实际，计算分析水泵站内两台机组满负荷时事故停泵所引起的泵站管路系统中的水力过渡过程，并对水锤危害作出判断和预测，为水锤防护设计打好基础。为此，要求出： 　　（1)沿整个管线的最低水头包络线和最高水头包络线以及管线各点处的最大内水压强值； 　　（2）沿整个管线的实际可能达到的最低水头包络线以及各点处的实际最低压强值，借以判断何时在何处产生真空乃至产生水柱分离现象； 　　（3）各水柱分离处空腔的发生、扩展、溃灭以及再分离的详实过程，各断流空腔的最大长度以及各空腔溃灭时所产生的断流空腔再弥合水锤的压力值； 　　（4）在水锤过程中水泵机组工况的变化，即求出流量Q，扬程H，转速n等随时间变化的曲线； 　　（5）泵管路系统中主要阀门的启闭程序对整个水力过渡过程的影响。 　　2.3　停泵水锤计算分析 　　经计算和比较后，水锤波传播速度选用998.95 m/s, 该值对钢管和钢筋砼管均适用。为能控制住主要高点，整个管线被分为86 段，即N=86; 所以，步长DL=L/N=18900/86= 219.77 m, 时间步长?DT=219.77/998.95=0.22 s，相应的计算节点数为87，即NS =87。水泵比转数?n s =91, 采用文献［4］中世界公认的?n s =127的全面性能曲线资料进行电算。两阶段关闭蓄能液压缓闭蝶阀开度与局部阻力系数关系的资料，采用铁岭阀门厂的类似数据进行计算。 　　2.3.1　不设任何防护措施时的纯理论计算 　　所谓纯理论计算，就是指当发生水锤时，管路中的水压仅仅遵守数学逻辑和规则下降，即完全不受水的汽化和绝对真空等物理因素的限制情况下的水锤计算。它虽不实际，但对水锤粗算和危害预测等很有用。 　　根据纯理论的电算成果，绘出此种情况下的最低水头包络线，见图2。 　　图2　纯理论计算情况下的最低水头包络线 　　由图2可以看出：当发生停泵水锤时，几乎沿整个管线均出现很高的真空（从数字上看，它们几乎全都超过绝对真空10.33 mH 2 O的数值，但实际上是不可能的），这将导致多处水柱分离。尤应注意的是：本工程中有很长一段管线（前8 km ）的标高均高于水处理厂配水池水面标高?EL?=34.00 m，而且按常规均装有足够数量的常规进、排气阀；如果事故停泵后，管线末端阀拒动作或未设此阀，则大量水由管线中流进配水池而使很长的管线被泄空，并吸入空气，这对重新开泵送水必将带来极大的麻烦。 　　2.3.2　压强降至汽化压产生多处水柱分离（汽）时的计算 　　本地海拔为30 m左右，大气压强为10.3 mH 2 O；最高水温为20～25℃，汽化压为0.34 m H 2 O ，因此当真空值达（10.3-0.34）=9.96 mH 2 O时，液态水即开始汽化。考虑到管中空气阀和水中夹杂空气的影响，在计算中采用：当真空值达9.5 mH 2 O时，液态水即开始汽化分离。 　　本计算情况有双阀门控制，根据电算结果绘制的最高、最低水头包络线见图3。 　　由图3可见，当发生停泵水锤时： ①几乎沿整个管线均出现真空，泵站处真空值达8.8 mH 2 O（管中心）； ②在管线的前7.252 km（节点34以前）及节点80（17.362 km前后）处均出现汽化和水柱分离； ③泵站处最大压头值达216.19 m。 　　2.3.3　向各空腔处注入空气并在空腔缩小时又全排出的计算 　　本计算情况有双阀门控制，电算结果见图4。 图3　压强降至汽化压产生多处水柱分离的最高、最低水头包络线 图4　向各空腔处注入空气并在空腔缩小时又全排出的最高、最低水头包络线 　　从图4可以看出，当发生停泵水锤时：①各计算点的最低水头标高均不低于管顶标高，这说明各点的真空得到了控制； ②注入空气使下述诸点处空气腔拉开拉大：1点，2点，4点，7点，11点，16点，25点，34 点；水柱分离的点数多于2.3.2的情况； ③泵站处最大压头值达187.02 mH?2O。 　　2.3.4　计算成果分析小结及水锤危害预测 　　（1）由于水泵机组转动惯量?J?较小，水泵扬程低，管线较长，水锤升压波迟迟不能返回泵站，地形又很不利，因此发生停泵水锤时：① 水泵站处水头降至泵轴以下近3 m, 而在泵站附近的2 点处计算真空值为 33.6-22.5=11.1 mH 2 O，这表明事故停泵后在泵站附近必定发生水柱分离（汽）和严重的空腔弥合水锤危害；② 在管线的其他高点或驼峰处，如7点、16点、34点等处也将产生不同程度的水柱分离现象和空腔弥合水锤的危害； ③由于整个泵管路系统中出现很高真空，如无可靠的防护措施，大口径的薄壁钢管可能失稳而被压瘪。 　　（2）由于管线前8 km一段的标高超过水厂配水池水面标高，因此如果在管线两端不进行有效的阀门控制，则很长一大段管线将被泄空并吸入空气，这不仅对重新开泵极为不利，而且水泵机组也将长时间倒转。 　　（3）笔者的试验研究表明［5］，如欲缓和如此猛烈的水压降落或消除真空，在各不利（特异）点处所设特制的进气阀（真空破坏阀）的直径不得小于主管径的1/4, 在本工程中即1.4/4=0.35 m。常规的空气阀注气作用较小，故在大口径远距离的输水工程中，它不能视为一种水锤防护措施；尤为危险的是，通过大口径的进、排气阀向各空腔处注入空气并在空腔缩小时顺利排出，正如1.4和图4中所示，能引起很高的弥合水锤升压。 　　（4） 综上所述，对本输水工程必须进行以减轻降压、消除真空和断流弥合水锤危害为重点的综合实用的水锤防护工作。 　　2.4　水锤综合防护设计 　　2.4.1　水锤综合防护总目标 　　（1）技术上安全可靠，即在任何水锤过程中： ①管线上最大压强小于（1.3～1.5）倍的管路工作压力； ②水泵机组倒转转速不超过1.2 倍的机组额定转速，而且倒转历时不超过生产厂的规定； ③沿全管线不出现真空和具危害的断流弥合水锤； ④水锤过后便于再开泵供水。 　　（2）经济上合理。 　　（3）管理上比较方便。 　　2.4.2　水锤综合防护总考虑 　　（1）综合采用各种防护措施的优点，水锤防护系统有效地分布于整个输水干线工程中： ①可在水泵机组轴上增装飞轮以增大机组的转动惯量，但不能因增装飞轮使泵房尺寸显著增大，也不能给电机启动带来困难；在单独订货时，可向制造厂提出增大电机转子转动惯量?J?的要求； ②在水泵压出口处进行阀门控制，以控制水泵出口处的压力振荡和水的倒流以及水泵机组的倒转； ③沿管线的重要高点或特异点处设置多座单向调压塔进行注水，以消除真空和水柱分离现象；每只塔的最小容积可从水锤防护计算成果中取得； ④本工程中在输水干线末端，配水井之前，必须设置可控制的缓闭末端阀。 　　（2）向管路中注入空气不马上排出，使其在两分离水柱再重新接合过程中起缓冲作用的办法，虽能消除真空并能明显地降低水锤升压，但是大量空气进入管中，水锤过后短时间内很难排净，这给重新启动水泵带来很大困难，在本工程中将更不利。 　　（3）普通型调压塔，其高度必须高于正常水压线，太高，故暂不推荐。 　　（4）空气室（罐）需经常补气，辅助设备较复杂，罐体笨大；按经验，主要适用于小流量、高扬程且水泵出口有普通止回阀情况，不拟推荐。 　　2.4.3　Z市远距离输水工程水锤综合防护设计的推荐方案 　　经过大量计算及综合分析对比，Z市远距离输水工程水锤综合防护的推荐方案是：多处单向注水并在泵出口及管线末端均进行阀门控制的防护方案，以下简称多处注水及双阀门控制方案。 　　2.4.3.1　推荐方案--多处注水及双阀门控制 　　本方案的组成是： 　　(1)双阀门控制。在水泵压出口和管线末端均拟采用蓄能液压缓闭蝶阀进行控制；二者都采用两阶段关闭方式： 　　①对水泵出口阀。先快关60°历时4 s; 余下30°慢关，用16 s关完，关阀总历时?TC=20 s。 　　②对管线末端阀。先快关60°历时40 s; 余下30°慢关，用200 s 关完，关阀总历时MC=240 s。 　　(2)利用多座单向调压塔进行多处注水。在管线上预计可能发生水柱分离处，设置多座单向调压塔。本工程中管线较长，沿途凸峰明显且长，初定：在点2，7，16及34四处设置单向调压塔进行注水。 　　根据上述推荐方案的计算机动态模拟的计算结果绘制的停泵水锤水力过渡过程线（水泵站1点处和7点处）见图5；沿线最高、最低水头包络线见图6。 　　本推荐方案的计算结果见表2。 　　从图5，图6及表2可以看出： 　　(1)水泵站处最大压头为35.66 m，仅为工作压力的1.05倍；管线最高压力处（71点）的压头为55.17 m，而该点为穿越河道，也是整个管线最低位置，管材采用钢管，故最高压头比管道公称压力还低； 　　(2)泵站倒流量很小，仅为额定流量的20%，历时13.2 s；水泵没有出现倒转现象； 　　表2　推　荐　方　案　计　算　结　果 计算点 1 2 4 7 11 16 25 34 43 52 62 71 80 87 桩号(m) 0 220 659 1319 2198 3297 5274 7252 9230 11208 13406 15384 17362 18900 管中心标高(m) 25.70 33.60 34.60 36.30 37.30 40.10 39.20 36.90 33.30 30.00 25.90 19.30 28.00 27.20 最高水头(m) 61.36 61.04 60.4 59.45 58.17 56.58 59.99 66.73 69.33 71.37 73.15 74.47 75.66 76.4 最低水头(m) 29.61 38.30 37.76 41 39.89 44.8 42.17 41.6 38.93 36.29 33.35 30.74 28.2 34 最高压头(m) 35.66 27.44 25.8 23.15 20.87 16.48 20.79 29.83 36.03 41.37 47.25 55.17 47.66 49.2 最低压头(m) 3.91 4.70 3.16 4.7 2.59 4.7 2.97 4.7 5.63 6.29 7.45 11.44 0.2 6.8 最大空腔长度(m) 无 21.81 无 8.50 无 51.09 无 1.59 无 无 无 无 无 无 累计空腔总长度(m) 无 21.81 无 8.53 无 51.85 无 1.59 无 无 无 无 无 无 　　图5　推荐方案的停泵水锤水力过渡过程线 图6　推荐方案的最高、最低水头包络线 　　(3)所有的计算点处无真空出 果好；泵站处最低水头值为29.61 m，压水总管穿墙处（最不利点）标高为28.50 m，即测压管水头高于管轴线1.11 m，无水柱分离之虞； 　　 (4)仅在点2，7，16，34四处水柱被拉开，其他点处水柱连续。只要在这四处设置单向调压塔，保证其最小容积满足整个水锤期间及时注入水量的需要，就能保证干管中一直为充实水柱，这样水锤过后重新启（开）泵方便； 　　(5)经过计算，各单向调压塔的容积不大，造价较低，经济上合理。 　　综上所述，该方案可作为Z市水锤综合防护设计的推荐方案。 　　2.4.3.2　各单向调压塔设计容积及水面高程的确定 　　根据上述推荐方案计算机动态模拟计算的结果，经过综合分析比较，为安全可靠计，将表 2中累计空腔总长度定名为设计腔长。根据各点处的设计腔长并依下述公式?［3］，可算出各调压塔处的设计容积： ??V??T?=1.5×1.54×设计腔长?? 式中1.5--安全系数； 　　1.54--干管断面积，m 2 。 　　现将各点处的设计腔长、调压塔设计容积以及塔中设计水面标高综述见表3。 　　表3　推荐方案中各单向调压塔的设计容积及水面标高 方　　案 2点 7点 16点 34点/ 推荐方案 21.81 8.53 51.85 1.59 水泵出口控制阀拒动作 43.79 17.18 243.9 1.59 　　 　　由于注水是在正压差作用下进行，根据计算，塔中设计水位高于管顶8 m时即可保证每个分离点处随拉开随注入，两者同步进行，无空隙出现。详细计算从略。 　　2.4.4　以推荐方案为基础的校核性计算 　　所有的校核计算结果均与推荐方案的计算结果相对比分析。 　　2.4.4.1　水泵出口控制阀拒动作的校核计算 　　 图7　推荐方案下水泵出口控制阀拒动作的 　　最高、最低水头包络线 水泵出口的蓄能液压缓闭蝶阀有可能在发生水锤时拒动作，由此引出的后果，必须通过计算预测。根据计算机动态模拟的计算结果绘制的沿线最高、最低水头包络线见图7。 　　根据电算结果,可以得出： 　　(1)水泵机组最大相对反转数为0.80（推荐方案中为0，无倒转），此值虽小于规范中规定的1.2，但长时间倒转是水泵制造厂不允许的；另一方面，大量水回流可能使调压塔被泄空，随后空气被吸入干管中，使再开泵时遇到困难。因此，还必须在泵出口设有其他阀门。 　　(2)水柱分离点仍为四处，各空腔累计总长度与推荐方案对比见表4。 　　表4　水泵出口控制阀拒动作时各空腔累计总长度与推荐方案对比 方　　案 2点 7点 16点 34点/ 推荐方案 21.81 8.53 51.85 1.59 水泵出口控制阀拒动作 43.79 17.18 243.9 1.59　注：单位为m。 　　在2，7，16点处累计空腔总长度均大于推荐方案中的数值，并且16点的空腔仍在拉长。 　　2.4.4.2　末端阀拒动作的校核计算 　　这是推荐方案中末端阀拒动作的不利情况，故必须进行校核计算。根据计算机动态模拟的计算结果绘制的沿线最高、最低水头包络线见图8。 　　根据电算成果,可以看出： 　　(1)事故停泵后，由于干管中存水大量流向水厂，故在2，7，16，34点等处，出现不同程度的水柱分离，并比末端阀动作时水柱分离现象严重。 　　(2)水柱分离点仍为四处，各空腔累计总长度与推荐方案对比见表5。 图8　推荐方案下末端阀拒动作的最高、最低水头包络线 表5　末端阀拒动作时各空腔累计总长度与推荐方案对比 方　　案 2点 7点 16点 34点 推荐方案 21.81 8.53 51.85 1.59 末端阀拒动作 21.81 8.53 354.94 2.72　注：单位为m。 　　16点处，断流空腔一直拉开（扩展）不再弥合；到399.96 s为止，空腔长354.94 m。由于单向调压塔的设计容积主要是按正常防护（即推荐方案）情况下确定的，如不采取其他措施有效制止干管中存水流向水厂（如设手动阀门等），则16点处的单向调压塔将被泻空，继而使空气进入干管中。 　　(3)在水锤过程中，整个泵管路系统内压力波动较小，最高水头包络线（B）与稳态工作总水头线(D)相距很近，仅在管首处相差约4 m。 　　2.4.4.3　波速a降低为490 m/s时的校核计算 　　如1.3和1.7中所述，根据经验和参考文献［2］，将校核波速定为490 m/s，故时间步长Δt=220/490=0.45 s,其他参数无变化，根据计算机动态模拟的计算结果绘制的沿线最高、最低水头包络线见图9。 　　 图9　推荐方案下波速降低为490 m/s的最高、最低水头包络线 　　经过电算，得出以下主要结果： 　　?(1)?水柱分离点仍为四处，各空腔长度有增有减。各空腔累计总长度与推荐方案对比见表6。 　　表6　波速降低为490 m/s时各空腔累计总长度与推荐方案对比 方　　案 2点 7点 16点 34点 推荐方案 21.81 8.53 51.85 1.59 a?=490 m/s 16.53 10.38 55.89 2.93　注：单位为m。 　　(2)1点即泵站处最低压头发生在3.14 s时，其值为4.49 m，比推荐方案中有所提高，这对保护泵站安全有利。 　　(3)泵站处最高压头为35.65 m，与推荐方案接近；末端阀处最高水头发生在93.29 s，其值为73.54 m，推荐方案中为76.40 m，有所降低。图9表明，整个泵管路系统中最高水头包络线较推荐方案稍有所降低，管线末端的最低水头包络线较推荐方案稍有所提高。 　　(4)187.47 s以后，整个泵管路系统中再无水柱分离现象。 　　2.5　Z市远距离输水工程水锤分析与防护设计的主要结论 　　（1）根据水锤分析与危害预测，在Z市输水干线工程中，必须采取以减轻降压、消除真空及断流弥合水锤危害为重点的综合实用的水锤防护措施。 　　（2）Z市输水工程水锤防护系统各组成部分间应协调地工作，优势互补，使综合效果最佳；水锤防护装置与设备应有效地分布于整个管线中。为达此目的，提出以下方案--Z市输水工程水锤综合防护设计推荐方案： 　　①在水泵压出口必须装设重锤蓄能或蓄能罐式液压缓闭蝶阀进行两阶段关闭的阀门控制，其最佳关闭程序载于2.4.3中。本阀处于泵房下部，它的正常工作必须保证，否则殃及泵房。 　　②在点2，7，16，34四处必须修建单向调压塔进行多处注水以防止真空并削减断流弥合水锤的升压值。各塔的设计容积和水面标高，载于2.4.3中。对四座塔应经常加强维护工作，务使各止回阀动作灵活；还应注意防止塔中水变质。 　　③在干管线末端净水厂之前必须装设重锤蓄能或蓄能罐式液压缓闭蝶阀进行两阶段关闭的阀门控制，其最佳关闭程序载于2.4.3中。此阀的合理关闭操作对减少水柱分离点数和水锤压力波动以及保证系统正常工作等都起了重要的作用，故其正常工作与防护效能必须确保。 　　（3） 根据2.4.3中对推荐方案防护效果的分析小结以及各校核性计算结果，上述推荐方案能满足2.4.1中水锤综合防护总目标的要求。 (续完) 　　参考文献 　　1　 GB/T 50265-97 泵站设计规范. 北京：中国计划出版社，1997 　　2　［苏］莫斯宁，等.水锤防护指示.莫斯科：前苏联国家建工出版社，1961 　　3　金锥，等.停泵水锤及其防护. 北京：中国建筑工业出版社，1993 　　4　E. B Wylie, V L Streeters. Fluid Transients.USA：FEB Press,1983 　　5　丁峰,金锥，等. 注气、注水消减两处断流弥合水锤的研究. 国际泵系统会议论文集. 北京,1992 　　 　　 　?◇作者通讯处：300074 天津市河西区气象台路99号　　中国市政工程华北设计研究院设计一所 　?○电话：（022）23545716 　?○E-mail: shyxiong@sina.com 　?○关兴旺　100044 中国土木工程学会水工业分会秘书处 　?○金　锥　710061 长安大学（小寨校区） 　?○电话：（029）5215781 　?○收稿日期：2003-2-28 　?