单向调压塔防水柱分离技术研究

单向调压塔防水柱分离技术研究

随着城市人口的增加，人们生活水平的提高，工业的快速发展，城市供水近年来迅速增加。为确保供水,跨流域调水、远距离输水系统越来越多。这类取水泵站往往建在大江、大河和有充足水源的湖泊、水库岸边,输水管线长且沿地形铺设。当地形起伏时,输水管线会出现上坡、下坡;当管线穿越河流、堤防、铁路等障碍物时,又往往会出现局部凸起或凹下的管段。这类系统由于水泵的几何扬程不太高,正常运行时管道压力不太大,但往往由于规划设计时未进行准确的水锤计算分析,或因盲目选用水锤防护措施,水锤事故时有发生,严重的导致管道破裂、供水中断,造成重大经济损失。本文结合九江市第三水厂水源泵站进行了带长输水管的泵站停泵水锤分析及水锤防护技术的研究。1长输水管道系统故障分析：关闭泵内泵的水锤1.1水源泵站回采九江市第三水厂水源泵站供水系统如图1所示,由两台32SA—10JB型水泵取水,并联后由一根直径为ϕ1400mm、长5699.5m的输水管道向沉淀池供水,是带长输水管道的供水系统。泵站取水口长江最高水位20.24m,最低水位为4.69m,水位变幅达15.55m,泵站为园筒T室型泵房。出水管道从泵房底部垂直上升至控制层后,需跨越长江干堤顶部,然后下降至地面高程,再沿地面铺设延伸至远处的水处理厂沉淀池。在水泵出口附近处,管道由高程3.15m(泵轴线高程)垂直上升至23.87m(顶部管道轴线高程),形成局部凸起管段。水源泵站原设计采取了两种水锤防护措施,一是在泵出口装设了重锤式两阶段关闭液控蝶阀,设定的关闭程序为快关时间7s、快关角度60°,慢关时间19s、慢关角度30°;二是在23.87m高程的凸起管段上安装了三个ϕ500mm的进排气阀。系统投产后,由于事故停电,多次发生严重的水锤事故,使管道爆裂,供水中断,给城市人民生活和工业生产造成严重损失。1.2水泵全特性曲线的确定为了分析事故原因,作者采用特征线法,对事故停泵水锤进行了计算机模拟分析。特征线法是国内外广泛用于水锤分析的方法,其原理是将水锤方程沿特征线进行有限差分近似,转换成特征条件下的代数方程。由于九江第三水厂水源泵站为两台同型号水泵并联运行,且在泵出口装有两阶段关闭液控蝶阀,在管道中装有进排气阀,因此水锤分析应考虑水泵端的边界条件与进排气阀的边界条件。在对九江第三水厂水源泵站的停泵水锤进行计算分析时,水泵端的边界条件需要水泵的全特性曲线。水泵全特性曲线一般应由专门的试验得到。由于条件的限制,无法进行32SA—10JB型水泵的全特性曲线试验。计算时,作者采用了由已知的水泵全特性曲线预测相近比转速水泵全特性曲线的方法。32SA—10JB型水泵的比转速为100,采用参考文献2提出的方法的比转速为100的WH、WB坐标水泵全特性曲线如图2所示。1.3水锤防护措施在停泵系统中的应用采用特征线法模拟计算停泵水锤,计算结果表明,带有局部凸起的长输水管道系统,在事故停泵水锤过程中,产生水柱分离及其再弥合,诱发的最大水锤升压是导致水锤事故的主要原因。原系统设计在水泵出口采用了两阶段关闭蝶阀,在出水管凸起管段上安装了三个进排气阀,为了分析原设计的防护措施的水锤防护效果,对采用了上述防护措施的情况,即事故停泵时水泵出口液控蝶阀两阶段关闭,进排气阀动作的情况,进行计算机模拟分析,其计算结果如图3所示。由图3看出,采取上述防护措施对防止管道系统产生负压和水柱分离没有任何作用,管中的最大水锤压力为2.98MPa,在停泵后第59s发生分离水柱的再弥合,而且水柱分离及再弥合的现象在计算时段内多次发生,这种交替的水锤压力是导致水锤事故、造成管道破损的主要原因。系统原采取的水锤防护措施达不到水锤防护效果的原因是原水锤防护措施无法有效地防止停泵水锤过程中的水柱分离。长管道系统,特别是有明显局部凸起的管道系统,其主要问题是管道中产生负压,进而导致水柱分离,水泵出口阀两阶段关闭对于防止水泵倒转倒流和管道的压力上升,具有较好的作用,但由于快关的作用,加速了初始的降压过程,由于阀门关闭所造成的压力降低与事故停泵初始的降压水锤波互相迭加,必将加剧管线中的水柱分离。另外,进排气阀对于水泵起动过程中迅速排除管道中空气具有显著作用,但对于防止水柱分离,作用也不明显,尽管当管内压力降低到低于管外大气压时可以吸入一定的气体,部分缓解水锤压力,但由于空气阀进气和排气时的阻力不同,气体排除要求较长时间,容易导致这种自由空气在管中残留,形成气囊而无法排出。因此长输水管道系统设计中,应特别注意根据停泵水锤计算分析确定防止水柱分离的防护措施。2单向增压塔与浮球阀联系经过方案比较,对于如图1所示的长管道系统,适宜采取单向调压塔进行水锤防护,这是因为:其一,当管道内压力降低至一定值时,单向调压塔可以给管道补水,防止产生负压而不会发生水柱分离;其二,在单向调压塔与输水主管相连的短管上安装有逆止阀,防止水逆向由管道流入塔内,因此可以减小调压塔的高度。调压塔向主管补水后,由另外装设的与浮球阀(或其他装置)相连的补水管道对调压塔充水,使塔内水位达到预定的高度,以保证下一次补水的压力与容积。单向调压塔的水位高度及容积应通过计算求得最佳值。2.1边界条件假设调压塔的物理模型如图4所示,事故停泵后,当压力降低至一定值时,即当Hp<Hp3时,补水逆止阀打开,调压塔对主管补水。设调压塔流出的流量为Qp3,则由连续性原理及孔口出流可得到如下方程:Qp1+Qp3=Qp2(1)Qp3=CdAd2g(Hp3−Hp)−−−−−−−−−−−√(2)Qp1+Qp3=Qp2(1)Qp3=CdAd2g(Ηp3-Ηp)(2)式中:Cd——调压塔出口的流量系数;Ad——补水短管上逆止阀的过流面积。调压塔的水位与流量存在以下关系:Hp3=Hp−(Qp3−Qp)Δt2Ap3(3)Ηp3=Ηp-(Qp3-Qp)Δt2Ap3(3)式中:Ap3——单向调压塔的面积。将式(1)、(2)、(3)与相连管道的水锤相容性方程式联立可求解出单向调压塔的边界条件。Qp1=(Cp1−Hp)/B1Qp2=(Cp−Cm2)/B2}(4)Qp1=(Cp1-Ηp)/B1Qp2=(Cp-Cm2)/B2}(4)2.2水锤抗滑性能分析根据不同的调压塔参数,进行事故停泵水锤防护的计算分析,计算确定经济合理的单向调压塔容积以及调压塔的控制水位。单向调压塔的设计计算,其一要求调压塔有足够的容积,以供给防止主管内产生负压进而发生水柱分离所要求的补给水量;其二是单向调压塔的最低水位应有足够的压力,可以给主管补水,最高水位应既有足够的补水量,又保证调压塔结构经济合理;其三,补水短管在补水过程中靠水体重力能够保证其补水的速度。计算分析结果表明,在管道凸部高程27.87m的水平管段上安装容积为53.20m3的单向调压塔时,具有显著的水锤防护效果,且补水容积小、经济合理。图5为采用单向调压塔后的事故停泵水锤计算结果。图5(a)为水泵停泵水力过渡过程线,图5(b)为水泵出口及管道凸部处水锤压力过程线图。由图中可以看出,管道中的最大水锤压力降低到0.46MPa,管道系统内未产生负压和水柱分离现象。根据九江第三自来水厂水源泵站的具体情况,采用两个互相连通的并联单向调压塔与主管垂直放置的方案。取安全系数为1.3,单向调压塔总容积为70m3。与主管连接的补水管的直径计算确定为30cm。3停泵水锤试验为对单向调压塔的水锤防护效果进行进一步的验证,在九江市第三水厂水源泵站单向调压塔安装调试后,进行了停泵水锤现场试验。采用超声波流量计、光电转速仪、压力传感器、阀位传感器等仪器对停泵过程的瞬态流量、瞬态转速、水泵出口阀关阀过程以及主要测点的压力进行了测试,由计算机系统进行数据采集,然后将实测数据用MicrosoftExcel软件绘制出各参量的瞬态过程线。停泵水锤的试验系统如图6所示。安装单向调压塔后,进行了突然电力中断的停泵水锤现场试验,图7为停泵水锤试验结果。图7(a)为水泵停泵水力过渡过程线,图7(b)为水泵出口及管道凸部处水锤压力过程线图。对比图5和图7可知,计算结果与试验结果非常相似,只是压力峰值的计算结果比试验结果略大一些。由此验证了计算机模拟计算的正确性和单向调压塔水锤防护的可靠性。4对k-b维护水锤防护方案(1)对于带长输水管道的泵站,其停泵水锤事故的主要原因是在事故停泵后的降压过程中,管道出现负压而导致水柱分离,在升压波到来时,被分离的水柱再碰撞而诱发的巨大水锤升压,即所谓的“水柱分离及其再弥合”现象。(2)泵站停泵水锤的防护方案应在对水锤进行详尽的计算分析后根据水锤压力变化的特点进行优化设计,盲