緩閉核泵斷流彌合水錘的產生原因及處理

廈門天水塘的取水系統由經過審計的水源站和廢水管道組成。站內安裝3臺離心泵,其中2臺功率為280kW,揚程為350kPa,流量為2016m3/h;1臺功率為220kW,揚程為310kPa,流量為1872m3/h;1個預留空機位,其進、出水管分別用封板封住。機組出水閥為液控緩閉止回閥。泵房布置如圖1所示。輸水管管徑為DN800,全長為2km。開機時先啟動水泵,待轉速穩定后再打開液控緩閉止回閥,關機則先關閉液控緩閉止回閥,待其全關后再停水泵。在生產運行中,該站多次發生正常停機時管系被破壞的事故,包括泵房外消防栓,閘閥,預留空機位封板,2#、3#止回閥等。1不同管路特征的斷流根治工藝分析現場觀察3#機閥后安裝的指針式壓力表,正常停機時壓力表指針先下降至零,然后快速升高至1.1MPa。因為系統最高點高程為29m,水泵實際揚程(HR)為0.29MPa,計算得到該系統的最大水錘壓力相對值(Δhmax)為2.79,最大水錘壓力增值(ΔHmax)為1.1-0.29=0.81MPa。水錘升壓產生的振蕩荷載,其破壞力為靜壓力的2倍,據此可求出總破壞力相當于靜壓力為1.91MPa,遠遠高于管材公稱壓力(0.8MPa)及試驗壓力(1.2MPa)。可見該系統的水錘升壓遠高于設計允許值,運行中存在嚴重的安全隱患,必須加以整改。統觀該系統可看出,輸水管符合“長距離、大管徑、向高處供水且有駝峰”的管路特征,系統中除液控緩閉止回閥外,無任何水錘防護措施。結合管路特征,判斷水錘升壓值如此之高必定是由彌合水錘引起的(后來安裝的數字式壓力表所記錄數據和關閥時空氣呼吸閥強烈的吸氣動作印證了這一點)。斷流彌合水錘增壓值的計算如下:ΔH=aυRmaxg(1)ΔΗ=aυRmaxg(1)式中ΔH——斷流彌合水錘增壓,MPaυRmax——斷流后彌合水柱的最大逆流速度,m/sa——水擊波在水中的傳播速度,本例為1014.7m/s顯然,ΔH取決于υRmax。假設水柱在液控緩閉止回閥處發生分離但水柱仍繼續正向流動,并假設水柱在脫離閥板瞬間的流速仍為穩態時的流速,采用剛性水柱理論,運用牛頓第二定律,計算得出本例υRmax=1.049m/s,則ΔH≈1.086MPa,與現場觀測值基本吻合。這也從另一個側面證實關閥時管道中發生了斷流彌合水錘。系統中已經安裝了液控緩閉止回閥,但仍發生如此劇烈的水錘升壓,經分析其原因有兩方面。①液控緩閉止回閥引起斷流彌合。該閥的關閉程序是:前65°快關后25°慢關。設閥門關閉角度為θ,閥徑為d,則關閥時閥板在管道截面上的投影為一長徑a=d、短徑b=dsinθ的正橢圓,其面積為A=πab=πd2sinθ。當θ=65°時閥門已關閉面積為0.91πd2,即管道橫截面的91%已經被關閉。這樣的設計是為了當事故停電時閥門可以快速截斷大部分水流,防止倒流引起水泵反轉。但是如果慢關過程太快,閥前來水流量補充不及,而閥后水柱由于慣性繼續向前流動,可能在閥瓣附近形成低壓,若此低壓低于所輸水體水溫所對應的飽和蒸汽壓,則水汽化在閥后產生空穴,導致水柱中斷。閥后水柱流速逐漸減慢,當水流速度為零時空穴長度最大,水柱隨即逆向加速流動填補空穴,產生斷流彌合引起水擊增壓。②駝峰引起斷流彌合。系統中由于有駝峰,閥門關閉過程中來水量減少,管道各點壓力下降,首先在駝峰點產生低壓及斷流空穴。實際的水錘發生過程可能比上述分析復雜得多。可見即使在正常關機停泵過程中,由于液控蝶閥的關閥特性和管路特征,造成水力運行的復雜狀態,必然引起水錘現象。如果是事故停電,水泵和液控緩閉止回閥同時失電,則閥前來水量更少,更易造成低壓及水錘壓力升高,其破壞力更強。2調整關閥系統水錘的防護有兩種思路:一是消除水錘產生的條件。只要管路中的最低壓力不低于飽和水蒸氣壓力,水流就不會中斷。消除了低壓也就消除了高壓產生的條件。這方面的措施可以有幾種,如避免管路設計上的“駝峰”,設置調壓塔、補水塔,安裝空氣呼吸閥;二是緩解水錘壓力,對升高的壓力進行吸收或泄壓,如取消止回閥,安裝機械式水錘消除器,設置氣囊或安全泄壓閥。顯然,第一種思路可以從根本上阻止水錘的產生,效果更好。根據以上分析,如果在管路壓力降低到飽和蒸汽壓力之前對管路進行補氣,阻止壓力繼續降低,則水體不會汽化,沒有空穴產生,就不會有斷流彌合水錘。考慮現場條件,在3#、4#連通管上安裝了1臺空氣呼吸閥。該閥的作用是當安裝點的管內壓力降低到大氣壓以下時,氣閥打開吸氣,避免水柱分離;當管內壓力上升到大氣壓以上時,排出氣體。因此可以有效消除水柱分離,預防斷流彌合。同時在4#機封板處安裝了1臺數字式壓力計,以記錄壓力變化。在關機的同時測量液控緩閉止回閥的關閉過程。2月17日關1#機泵時現場觀察,空氣呼吸閥先是急劇吸氣然后急劇排氣,吸氣是因為管道內有負壓,排氣是因為發生了水錘升壓。吸氣速度非常快以致閥門發出了尖銳的嘯叫聲,可見壓力下降非常迅速,需要大量的氣體補充。測量到的數據如圖2中曲線1所示。閥門關閉過程為快關5s慢關9s,最高壓力為0.749MPa,最低壓力為-0.003MPa(20℃時水的汽化壓力為0.002383MPa),水錘升壓值為0.459MPa,破壞力相當于靜壓力為1.208MPa,仍超過管道公稱壓力和試驗壓力,需要進一步采取措施。由圖示數據可以看出,負壓產生在第14秒,即閥門全關時,此時發生斷流出現空穴,持續數秒后發生水柱彌合,壓力急劇升高。可見閥門的關閉過程對空穴的出現有很大影響。若延長慢關時間,允許來水繼續補充,應該可以防止管路中出現的低壓。調整關閥過程,設置快關4s慢關23～26s,測量到的數據如圖2中曲線2所示,最高壓力為0.437MPa,最低壓力為0.017MPa,沒有出現負壓,同時水錘升壓值只有0.437-0.29=0.147MPa。據此可以得出結論,采用空氣呼吸閥進行補氣,同時延緩閥門關閉過程,可以避免產生負壓,降低水錘升壓;關閥過程中產生的負壓越低,水錘升壓越高,提升低壓可以相應降低最高壓力,減小水錘破壞力。由于仍有水錘升壓,結合現場觀察到空氣呼吸閥劇烈的吸氣動作,在1#、2#出水管上又分別安裝了空氣呼吸閥,改善補氣條件。測量到的關機壓力數據如圖2中曲線3所示。由于補氣充足,最低壓力提高到0.124MPa,最高壓力為0.3MPa,整個關閥過程中管路壓力控制在運行壓力之內,改造效果非常滿意。同時3臺空氣呼吸閥動作緩和了許多。改造后經過幾次運行發現,系統采用的液控緩閉止回閥存在關閥時間自動漂移的現象,且總是往時間縮短方向漂移,易引起壓力升高,因此需定時調整閥門關閉時間。試驗表明,設定關閥過程為快關5s慢關20s左右,效果最好。通過采取水錘防護措施及定時調整閥門關閉過程,該系統運行幾年來均未出現任何事故且壓力穩定。3降低水錘下沉①液控緩閉止回閥被廣泛運用于水錘的防護,但是當管路中存在駝峰而發生彌合水錘時,該閥的作用是非常有限的。此時必須采取補壓措施才能有效防止水柱分離,