高揚程長距離輸水工程中水錘計算的計算機模擬

停止泵的水錘是水錘的一種。這意味著，當水泵突然斷開或其他原因發生時，由于水流突然變化，一些嚴重的壓力，如水泵和管道系統中的站版快速增長，會導致頻繁上升的水流損失。一般情況下停泵水錘最為嚴重,其對泵房和管路的安全有極大的威脅,國內有幾座水泵房曾發生停泵水錘而導致泵房淹沒或管路破裂的重大事故。停泵水錘值的大小與泵房中水泵和輸水管路的具體情況有關。在泵房和輸水管路設計時應考慮可能發生的水錘情況,并采取相應的防范措施避免水錘的發生,或將水錘的影響控制在允許范圍內。綜合國內外關于水錘的最新科研成果并結合多年工程實踐經驗,以特征線法為基礎開發了水錘計算程序。這一程序可以較好地模擬各種工況條件下水泵及輸水管路系統的水錘狀況,為高揚程長距離輸水工程提供設計依據。1水泵機組運行工況根據我國南方某城市取水泵房的水泵及輸水管線的實際情況,采用計算機程序模擬水錘情況如下(均按最低枯水位計算):(1)水泵機組。Qn=5000m3/h,Hn=55m,Nn=741r/min,Ns=132.4,GD2=874.7kg·m2,Mn=932.72kg·m,近期1臺機運行,遠期2臺機運行。(2)輸水管線。DN=1400mm,l=5750m,幾何揚程:35m(近期)、45m(遠期)。1.1假設采用軍閥管停止泵的水錘(1)壓力值與表1與表2表1中所列數據為假設水泵出口處的流速為零時閥門即刻關閉所產生的水錘壓力值。實際工況中,閥門關閉總要一段時間,因此實際水錘值將與表中所列數據有出入。根據計算機模擬結果,如果在此條件下適當增加水泵機組的轉動慣量可以將水錘壓力值明顯降低。(2)閥門的操作過程經過計算機模擬,當關閥時間和快慢組合與最佳模擬條件不同時,泵前最大壓力值都將有所增加。因此一個裝有兩階段關閉閥門的輸水系統,其閥門的操作過程應經過計算確定,并應在試運行中調整。此種設備定貨時應向制造廠提出具體的技術要求(快、慢關閉時間及可調性)。(3)計算機模擬結果此泵房出水管在穿越大堤處(距泵出口40m)形成了駝峰,經計算,此處將發生彌合水錘。實際觀測與計算機模擬的結果相近,計算機模擬結果如表3所列。從表3得知,當管路中發生斷流的停泵水錘(彌合水錘)時,水錘值很大,達到幾何揚程的4倍以上,必須引起高度重視。1.2不同幾何揚程和不同轉動慣量時的模擬結果停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚程有關,當幾何揚程≥30m,其各種工況下的最大水錘壓力值(Hmax)與幾何揚程(H0)的比值,水泵最大逆轉速βmax與額定轉速βn的比值分別列人表4。為了避免停泵水錘的危害,可在如下方面采取措施:(1)對于無逆止閥的管路系統這種停泵水錘的情況并不嚴重,最大的水錘值為幾何揚程的1.40倍左右,須注意的是水泵機組倒轉和水大量倒流造成的損失和危害。一般情況下,無逆止閥管路主要應避免水泵機組的長時間過度倒轉,以防水泵軸套松脫和機組共振。通過計算程序模擬有如下規律:輸水距離在1.2～5.0km范圍,管線愈長,停泵水錘值愈大,水泵機組倒轉愈嚴重。管線長度超過5.0km,長度繼續增加對水錘值影響較小。幾何揚程增高,最大水錘值和水泵機組倒轉值均有增加,當幾何揚程>50m時,水泵機組倒轉值將持續超過額定正轉速(βmax/βn≤-1.0),超過規范的允許范圍。在這種情況下應與水泵制造廠聯系采取相應的技術措施以確保水泵在倒轉運行工況下安全。對于無逆止閥管路選用轉矩(Mn)較小、轉動慣量(GD2)較大的水泵機組,將有利于改善停泵水錘發生時的水泵和管路工況,推遲水泵的倒轉,降低倒轉值。(2)對于裝有普通止回閥的管路系統這種停泵水錘的情況較為嚴重,最大的水錘值為幾何揚程的1.90倍左右。輸水距離在1.2～5.0km范圍時,管線愈長,停泵水錘值愈大。管線長度超過5.0km,長度繼續增加對上述參數影響較小。幾何揚程增高,停泵水錘值也愈大。對于取水泵房,若條件許可(輸水管路較短,水泵允許短時間倒轉),可取消普通逆止閥。如果采用了普通逆止閥,則水泵機組、管路配件和管路系統的耐壓等級和穩定性均應考慮最大水錘壓力值。(3)對于裝有緩閉逆止閥的管路系統緩閉逆止閥對于降低停泵水錘有明顯效果。緩閉逆止閥的使用應結合具體情況,快慢兩個階段的關閥歷時應根據泵房水泵性能和輸水管路的邊界條件進行計算機模擬,得出最佳的理論時間組合,并在試驗運行中調整,以期獲得最佳關閥歷時和快慢兩個階段的關閥歷時的分配。如果關閥時間長于或短于最佳關閥歷時或快慢兩個階段的關閥歷時采用不當,均會導致產生很大的水錘壓力值。計算機模擬結果表明:調整理想的緩閉逆止閥管路的停泵水錘值可以控制在幾何揚程的1.45倍左右,而非理想狀況下的緩閉逆止閥管路的最大停泵水錘值可達幾何揚程的2.5倍～2.8倍。此外,快慢兩個階段的關閥歷時的選用也是很有講究的,一般要求停泵后5s內應關閉閥門的80%以上。若整個關閥歷程是勻速的也會導致產生較大的水錘壓力,模擬結果如表5所列。(4)普通逆止閥管路中有彌合水錘發生在輸水管路布線時應盡量避免縱坡的突然變化,特別要防止出現“駝峰或膝部”,否則可能導致發生彌合水錘,而彌合水錘的最大壓力值為幾何揚程的3倍～5倍,其對泵房和輸水管路系統將產生極大的危害。一般情況下,駝峰出現處的高程為幾何揚程的30%～80%時最為不利(水錘值最大)。根據模擬運算,當幾何揚程在25m以上且管路中一定的高程位置存在“駝峰或膝部”,其最大彌合水錘值將超過980kPa(100m水柱)。對于彌合水錘不可避免的情況(已經建成的輸水系統中存在駝峰),則應采取工程技術措施進行水錘防護。2設置水錘消除裝置由于停泵水錘可能導致泵站和輸水系統發生嚴重事故(如泵房內設備或管道破裂導致泵房淹沒,輸水管破裂導致沿途房屋漬水),因此有必要根據具體情況采取相應的措施來消除停泵水錘或消減水錘壓力。(1)降低輸水管線的流速,可在一定程度上降低水錘壓力,但會增大輸水管管徑,增加工程投資。(2)布置輸水管線時應考慮盡量避免出現駝峰或坡度劇變。(3)通過模擬計算,選用轉動慣量GD2較大的水泵機組或加裝有足夠慣性的飛輪,可在一定程度上降低水錘值。(4)設置水錘消除裝置①雙向調壓塔。在泵站附近或管道的適當位置修建,雙向調壓塔的水面高度應高于輸水管道終點接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補水或泄掉管路中的過高壓力,從而有效地避免或降低水錘壓力。這種方式工作安全可靠,但其應用受到泵站壓力和周邊地形的限制。②單向調壓塔。在泵站附近或管道的適當位置修建,單向調壓塔的高度低于該處的管道壓力。當管道內壓力低于塔內水位時,調壓塔向管道補水,防止水柱拉斷,避免彌合水錘。但其對停泵水錘以外的水錘如關閥水錘的降壓作用有限。此外單向調壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠,一旦該閥門失靈,可能導致發生較大的水錘。③氣壓罐。國內使用經驗不多,在國外(英國)使用較廣泛。它利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化氣壓罐向管道補水或吸收管路中的過高壓力,其作用與雙向調壓塔類似。④水錘消除器。80年代以前曾經廣為采用。它安裝于止回閥附近,管道中的水錘壓力通過開啟的水錘消除器泄掉。某些水錘消除器無自動復位功能,容易因誤操作導致發生水錘。⑤緩閉止回閥。有重