长距离泵站输水系统水锤防护研究

长距离泵站输水系统水锤防护研究

由于压力管道中水流的快速变化，管道中水流的压力急剧上升或降低，被称为水锤。在对压输水管路的压力下，由于水泵的突然启动和电机中断，管道中可能会出现水锤。如果管道中的压力低于低压，则会分离液柱。通过在管道中正确配置空气阀，可以减少管道中的压力，消除液柱分离现象，避免水锤事故的发生。因此，空气阀通常用于水泵系统的真空锤保护。空气阀的工作原理是：当空气阀的内部压力降至低压时，空气阀打开，允许空气进出；当管道压力增加到低压以上时，空气阀的流量系数、间隙等特征参数对水锤的保护有重大影响。目前,对于空气阀的布置原则,工程上一般认为应遵守局部高点和每隔500m的布阀原则,但这样布置可能造成一定的经济浪费.在空气阀尺寸的选择上,国内外也不尽相同.杨开林等通过沿管线间隔500～1000m布置空气阀的水力瞬变计算研究发现,过大或者过小的空气阀孔径都是不利的.郑源等研究发现空气阀进、排气时的流量系数对管路中的压力影响十分明显,在有压输水管道顶端安装空气阀不仅可以减轻管道中的正压冲击并且能降低负压.杨晓东等通过计算发现,减小进排气阀的排气面积,可在一定程度上控制管路中的高水锤压力.Lee等研究发现在凸点布置空气阀且在较大流入流量系数下,可有效控制管路中的负压,但是较大的流出流量系数可能会导致管路中的正压增大.美国水行业协会对不同形式的空气阀给出了进排气孔口尺寸的计算方法和公式.但是,由于不同型式的空气阀其进排气性能差异很大,不能单独以尺寸选择空气阀,应将空气阀的尺寸与流量系数联合考虑.文中通过针对某一泵站输水系统的水泵掉电工况下的过渡过程研究,对空气阀的流入、流出流量系数、孔口面积在水锤防护中的作用进行分析,给出合理的空气阀的特征参数.1压力管道的流量特性空气阀按其低于大气压系统进气、高于大气压系统排气的物理特点建立模型,如图1所示.此模型基于如下4种假设:1)空气等熵地流入流出阀门;2)管内的空气温度始终不变;3)流进管内的空气仍留在空气进排气阀附近;4)液体表面高度基本不变,空气体积和管段里液体体积相比很小.流过阀的空气质量取决于管外大气的绝对压力p0、绝对温度T0以及管内的绝对压力p和绝对温度T.有以下4种情况:1)空气以亚音速流进:m˙=C1A17p0ρ0[(pp0)1.4286−(pp0)1.7143]−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√,p0>p>0.528p0,(1)m˙=C1A17p0ρ0[(pp0)1.4286-(pp0)1.7143],p0>p>0.528p0,(1)式中:m˙m˙为空气质量流量;C1为进气时空气阀的流量系数;A1为进气时空气阀的流通面积;ρ0为大气密度.2)空气以临界流速流进:m˙=C1A10.686RT0√p0,p<0.528p0m˙=C1A10.686RΤ0p0,p<0.528p0.(2)3)空气以亚音速流出:m˙=−C2A2p7RT[(pp0)1.4286−(pp0)1.7143]−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√,p0p>p>p0,(3)m˙=-C2A2p7RΤ[(pp0)1.4286-(pp0)1.7143],p0p>p>p0,(3)式中:A2,C2分别为排气时阀的开启面积和流量系数;R为气体常数.4)空气以临界速度流出:m˙=−C2A20.686RT√p,p>p00.528m˙=-C2A20.686RΤp,p>p00.528.(4)空气一旦流入管道,在空气排出之前,都要满足气体状态方程:pV=mRT,(5)式中:m为空气质量;V为空气体积.则有p[Vi+0.5Δt(Qi−Qpxi−Qppi+Qpi)]=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RT,(6)p[Vi+0.5Δt(Qi-Qpxi-Qppi+Qpi)]=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RΤ,(6)式中:Vi为开始时的空穴体积;Δt为时间增量;Qi为空穴的起始流出流量;Qpi为空穴的末了流出流量;Qpxi为空穴的起始流入流量;Qppi为空穴的末了流入流量;m0为空穴中空气的起始质量;m˙m˙0为空气流入或流出空穴的起始质量流量;m˙m˙为空气流入或流出空穴的末了质量流量.p=ρg(Hp-z+H1),(7)式中:Hp为管道节点压力水头;H1为气压计压头;ρ为流体密度;g为重力加速度;z为空气阀安装高程.压力管道中的相容性方程为C+:Hpi=CP-BQppi,(8)C-:Hpi=CM+BQpi,(9)式中:C+,C-为特征线;Hpi为管道节点压力水头;CP,CM分别为上下游特征线方程参数;B为特性参数,由管道特性决定.将式(6),(7)与空气阀两端的特征线方程(8),(9)联立,可得pVi+0.5ΔtQi−Qpxi−CM+CPB+2BQi-Qpxi-CΜ+CΡB+2Bpρg+z−H1pρg+z-Η1=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RT.(10)=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RΤ.(10)对式(10)进行求解,可得节点压力.将节点压力分别代入式(4)中,求得空气质量流量;再将节点压力代入式(7),求得节点水头.2未来输水管线某一泵站输水系统如图2所示,泵站输水系统包括4台水泵、阀门以及管线.泵站输水系统为高程起伏较大、长距离输水管线.整个管路总长为12.9km,输水管径为2.2m;水泵额定流量为1.54m3/s,额定扬程为24.3m,额定转速为730r/min,机组转动惯量为94.25kg·m2.在正常工况下,3台水泵正常工作,1台水泵关机备用.计算分析水泵事故断电情况下的水力过渡过程.2.1水泵的相对流量和沿程长度图3为无任何防护措施下的泵机组事故断电、阀门拒动水锤计算结果.图3中qr为流量与额定流量的比值;nr为转速与额定转速的比值;t,H,L分别为时间、压力水头、沿程长度.图3a表示1号水泵的相对流量相对转速变化,图3b表示1号水泵的进出口压力水头变化,图3c表示沿程管路的最大最小压力水头变化.由图3可见,在无任何防护措施下,水泵停机后引起了严重的倒转倒流现象,水泵最大倒转速为-609.38r/min;管路中的最大、最小压力水头分别为53.11,-5.90m.水泵的倒转倒流及管道中的负压会对整个管道产生危害,必须采取有效的水锤防护措施.2.2空气阀的布置针对泵站输水系统的无任何防护措施下的计算结果,对泵后阀门选取时长100s的两阶段关闭规律.根据工程上空气阀的布置原则,在管线上出现负压以及凸点位置布置18个空气阀.分析空气阀在不同的流量系数与孔口面积下对水锤防护效果的影响.图4为输水系统空气阀布置图,其中Z为管道中心线高程.2.2.1事故电阻、阀门关闭工况在该泵站输水系统中,选取空气阀的孔口面积为0.071m2,空气阀流入流出流量系数见表1,表中C1为流入流量系数,C2为流出流量系数.对表1中所示的3个工况进行泵机组事故断电、阀门关闭工况下的计算.图5为GK3-1工况下泵机组事故断电、阀门关闭的计算结果.由图5可见,安装空气阀后,在流入流量系数为0.95、流出流量系数为0.65的情况下,沿程管路上最大、最小压力水头分别为67.56,-0.69m.图6,7分别为GK3-2和GK3-3工况下泵机组事故断电、阀门关闭的计算结果.由图6,7可见,沿程管路上最大压力水头均为67.56m、最小压力水头分别为-0.70,-0.71m.这表明,对泵站输水系统安装空气阀后,在不同的流量参数下,管路上的负压均得到控制.2.2.2空气阀的孔口面积在该泵站输水系统中,选取空气阀的孔口面积分别为0.018,0.071,0.196m2,空气阀的流入流量系数为0.95,流出流量系数为0.65.图8,9为空气阀的孔口面积分别为0.018,0.196m2下泵机组事故断电、阀门关闭的计算结果.由图8,9可见,沿程管路中最大压力水头均为67.56m,最小压力水头分别为-0.88,-0.67m.空气阀孔口面积为0.071m2的计算结果即为GK3-1的计算结果.由计算结果可见,对泵站系统安装空气阀后,在不同的孔口尺寸下,管路上的负压得到控制.2.3空气阀的水锤防护作用1)在泵站输水系统不设任何防护措施时,沿程管路中的最小压力水头为-5.90m;设置空气阀后,在空气阀流入流量系数为0.95、流出流量系数为0.65,孔口面积为0.196m2下,沿程管路中的最小压力水头为-0.67m.可见,在管路中设置空气阀,可有效地抑制管路中出现的负压,起到明显的水锤防护作用.2)空气阀在较大的流入流量系数下,水锤防护作用较好.在流入流量系数为0.95、流出流量系数为0.65下,沿程管路中的最小压力水头为-0.69m;在流入流量系数为0.75、流出流量系数为0.45下,沿程管路中的最小压力水头为-0.70m;在流入流量系数为0.62、流出流量系数为0.62下,管路中的最小压力水头为-0.71m.3)空气阀在较大孔口面积下,水锤防护作用较好.在孔口面积为0.018m2下,沿程管路中的最小压力水头为-0.88m;在孔口面积为0.071m2下,沿程管路中的最小压力水头为-0.69m;在孔口面积为0.196m2下,沿程管路中的最小压力水头为-0.6