高扬程泵站输水系统的防护措施

高扬程泵站输水系统的防护措施

目前，有很多措施可以降低锤压。除了在设计中尽可能降低压力管的供水流量外，还可以在压力管上安装水压泵、减压室、空气室、爆炸减压膜、电机、液控缓闭泵等措施。水泵扬程不高、机组泵数少、输水管线短且自动化控制水平较低的泵站,一般在水泵出口管处可以不设止回阀,遇到突然停电,如果水泵惯性很大,正转也会被倒流水所遏止,很快降至0转速(即制动工况),进而由0增大到最大反转速;最后在水轮机工况下达飞逸转速nr=(1.2～1.3)n0,水锤压力一般可达到正常工作压力的1.27～2倍。如果水泵惯性很小,在水流反冲到泵前时泵已停转,就不存在制动工况。停泵水锤压力升高较大,会损坏泵组、叶轮、电机转子、爆破管道等等。在井群给水系统、泵组能力较大、管路较长、扬程较高、不允许水倒流均设止回阀。突然停电,水倒流时,止回阀很快关闭,所产生的停泵水锤压力升高很大,可达到工作压力的2～4倍,其破坏程度很严重。随着科技进展,止回阀在工程中的应用有了很大改进,由快速关阀到缓闭阀、不完全关闭阀日趋显示出其良好的效果。1确定快速关阀的影响从停泵水锤的图解过程可看出,止回阀在逆流量增大时,关阀越迟缓,水锤升压越高。因此,在不产生水柱分离的情况下,可采用逆流量为零时即快速关阀的办法来减小水锤升压,对小型水泵装置,可采用快闭止回阀来减小水锤升压。常见的快闭止回阀有:重锤旋启式快闭止回阀、弹簧旋启式快闭止回阀、弹簧升降式快闭止回阀等。但是,它们的阻力和电耗较大,对大口径管或大中型水泵装置不适当地快速关阀,可能在泵站及管路系统中引起过高的水锤升压。在突然停电后的最初阶段,管路系统中的水按惯性将继续向前流动。为了不使阀门对该正向水流形成很大的阻力,亦可在断电后经过某一时段再开始关阀。为了正确确定关阀对停泵水锤暂态过程的影响,必须知道:①何时开始关闭阀门;②根据什么规律改变阀门的开启度;③对应于各不同开启度的阀门局部阻力系数ζ的值。一般讲,对出现水柱分离的管道,突然停电(泵)后,只有在阀门关得太快情况下,才能恶化水锤暂态过程:当水正向流动时,快速关阀会减少流入水柱分离处的水量,因而使断流空间容积增大;当管路中水倒流时,快速关阀会使管路中反向流速急剧减少,并引起相应的压力升高,所以这种情况下快速关阀会对工程产生很不利的影响,也说明了快闭止回阀在工程应用中的局限性。2保护控制阀系统液控缓闭蝶阀,在断电时可按预定的时间和角度,分快、慢关二阶段关闭,能有效地降低管网中压力的波动,消除液体在管网中的水锤危害,控制水泵反转,从而保护水泵和管网系统的安全可靠运行,同时还可将其作为水泵主阀使用,一阀代两阀(闸阀和逆止阀)。在水泵机组事故停机、系统失电或阀系统失压等紧急情况下,蝶阀事故关阀回路可自动接通,使蝶阀在重锤和动水力矩的双重作用下,按预定程序分两阶段关阀,从而避免管道内大量水体倒流,同时防止水泵的反转速度超过水泵的飞逸转速。水力过渡过程计算表明,当蝶阀快关时间延长时,机组的最大倒流流量和最大倒转转速均变大,因此,在蝶阀液压系统允许的范围内应尽量减小事故停泵时蝶阀快关时间。液控缓闭蝶阀快、慢关闭时间及角度一般是根据泵站管道系统调保计算结果来确定的,而调保计算是依据规范对管道系统压力升高值,水泵倒转速的要求进行的关闭时间、角度的整定值计算。算例:某抽水系统有3台同型号的离心泵并联工作,泵的额定参数为Nn=1760r/min,Qn=0.304m3/s,Hn=67.1m,ηn=0.846,机组飞轮力矩GD2=636.5N·m2。泵体紧靠吸水池安装,吸水管长度忽略不计,压水管长L=1200m,吸水池水面高程ᐁs=0,高位水池水面高程ᐁ=67.1m,泵轮安装高程ᐁ1=0,3台泵共用1条压水管路,直径D=0.813m,管内波速a=860m/s,设摩擦阻力和局部阻力忽略不计。在每台泵的压力管道出口设液控缓闭蝶阀,设计该阀在事故关阀时的最优关阀规律,当机组停机时同时关阀,分段线性关阀:第一段4.5s关至开度的20%(18°),第二段13.5s内关至全闭,见表1,该阀全开时的阻力系数ζ=1.4,相对开度τ时的阻力系数ζ=ζ0/τ2,缓闭阀(3个泵各1台)设置处的直径d=0.46m。由图1知:阀门下游侧的最低水头为4.11m,最高水头为96.17m,与无阀管路的结果相似,比有单向止回阀管路的压力波动大为减小;管路中的最大逆流量为0.491m3/s,比无阀管路减小一倍;泵的最大逆速为517r/min,比无阀管路的2445r/min,减小了约79%。由此可见,缓闭阀可兼起到限制管路升压和限制机组反转速的两种作用。值得注意的是缓闭阀的动作设计必须恰当,对于不同的管路,缓闭阀的优选动作也是不同的,设计不当时,将影响管壁的计算结果,有可能造成管壁厚度采用过大或过小,会对工程产生不利的影响,所以要对所采用的调保措施有深刻的了解,对其性能、参数要充分掌握。3基于压力管线的水锤增压不完全关闭止回阀是在标准旋启式止回阀的活门上对称地钻2～6个直径为8～12mm的泻能孔(具体数目可根据止回阀直径及升压波历时的长短来取用)。其工作原理是通过设在止回阀活门上的泻能孔,把连续产生的微小水体压缩增量经过水泵进水管排到进水池,释放高压水锤。当阀前的一微小水体停止流动,受到压缩时,压力升高,假定受到压缩的微小水体体积为Vi,其体积增量为ΔVi,压力增量为ΔPi,根据虎克定律:ΔVi=-ViΔPi/K得ΔPi=-KΔVi/Vi(1)式中K为水的弹性系数;Pi为第I阶段水锤压力增量。由式(1)可依次求出ΔVi,这样可以得出第三阶段时间内的水锤压力总增量:P=Σi=1n=−KΣi=1nΔVi/Vi(2)Ρ=Σi=1n=-ΚΣi=1nΔVi/Vi(2)取V1=V2=…=Vn=V则有P=Σi=1n=−KΣi=1nΔVi/Vi(3)Ρ=Σi=1n=-ΚΣi=1nΔVi/Vi(3)由(3)式可知,第三阶段内水锤增压值与该时间内各微小受压水体体积增量各成正比,只要把ΔVi(i=1,2,…,n)在相应时段内消除,就能阻止水锤增压的产生。依据此原理对现有的止回阀加以改进,制成不完全关闭止回阀,从而阻止了高压水锤的形成,同时解决了机组的反转问题,保证了机组的安全。某供水工程采用深层地下水,经潜水电泵提水长距离输水至水厂,输水距离45.52km,井深300m,布设2眼,井距300～800m,单井出水量250m3/h,静扬程38m,水泵工作扬程H0=52m,装设不完全关闭止回阀。根据突然关阀后水锤波在一个周期内的传递规律,可将其分为4个阶段,见图1。水锤振荡现象在一个周期内结束,第一阶段产生的水锤负压和第三阶段的水锤高压危害性最大。在压力管线上设置止回阀时,曲线特点见图2,第三阶段的水锤增压峰值被大幅度削减,水泵正常工作时止回阀前的压力水头为41m,在人为事故停泵时测得了止回阀前最大压力水头为48.8m,同阀前正常工作压力相比水锤压力增幅为19%,该结果接近于压力管线上不设置止回阀时理论增幅值的最低值,效果很好。该技术在实际应用中收到了预期的效果,它使第三阶段的增压峰值大幅度削减,增幅小于20%。4缓闭阀的动作设计综上所述,快闭止回阀只适用于小口径管道的小型泵站,且前提为不产生水柱分离,所以有很大的局限性;液控缓闭蝶阀在其工程应用中收到了预期的效果,不仅阻止了高压水锤的形成,同时也明显降低了机组的反转速,但是缓闭阀的动作设计必须恰当,否则会影响到管壁厚度的计算及选取,给工程带来不利影响;不完全关闭止回阀明显地缩短了水锤振荡的时间,