可行性研究及设计方案分析——泵送输水工程

6.4.1.1　工程概况

泵站输水工程一管线全长2408m左右，输水管道为DN300的无缝钢管。泵房内装有两台立式长轴深井水泵，水泵额定扬程为120m，额定流量为200m3/h，两台水泵并联运行，水锤的模拟计算以两台水泵同时突然断电作为计算工况。

（1）水池数据

吸水池最高水位：130.0m

吸水池最低水位：112.0m

出水池水位：185.5m

（2）水泵数据

额定扬程：120m

额定流量：200m3/h

最高效率：80%

水泵额定转速：1485r/min

电机配套功率：630kW

水泵和电机的转动惯量GD2值：36.7kg·m2

（3）管道数据

输水管道长度约为1918m，采用DN300无缝钢管，承压能力1.6MPa，弹性模量2.07×108kPa。

6.4.1.2　稳态分析

根据工程数据建立泵送管路系统模型，对水池进出口参数、水泵参数、节点高程、管道长度、管道材料进行设置，进行稳态计算。模拟工况为双泵并联运行工况，流量为466m3/h，扬程80m，流速1.83m/s，水头损失16.873m/km。模拟结果如图6.25所示。

图6.25　稳态模拟结果

6.4.1.3　无水锤防护停泵模拟计算

设定稳定运行3秒后水泵突然断电停止工作，总模拟时间300秒，进行停泵水锤模拟计算。模拟结果如图6.26～6.28所示。

图6.26　无水锤防护模拟结果

图6.27　无水锤防护管道流量变化

图6.28　无水锤防护水泵转速变化

由模拟结果数据可知，在无水锤防护措施情况下突然断电停泵管道中后部升压较大，大部分管道的最低压力超过负压下限达到-10m，水体发生汽化，在3个管道尖点出现蒸汽空腔，发生水柱分离弥合水锤，严重危害管道安全。水泵在稳定运行3s后断电，流量和转速开始迅速下降，管道在7s左右时流量降为0，水流方向发生改变，水泵在11.5s左右开始反转，反转转速最大达到1338r/min，会对水泵造成损害。综上所述，无防护情况下突然停泵，管道内产生具有破坏性的水锤升压和产生具有诱发断流空腔再弥合水锤发生的水锤负压，需要采取一定防护措施来保证输水管道的安全运行。

6.4.1.4　普通止回阀水锤防护

1.普通止回阀+空气阀水锤防护

为防止流体介质倒流对水泵的冲击破坏，在泵送管路系统水泵之后设置一个普通止回阀。根据无水锤防护模拟结果，在容易出现水柱分离的三个管道高点J- 15、J- 59、J-72设置空气阀。空气阀进气口径设定为40mm，排气口径设定为8mm。模拟结果如图6.29所示。

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图6.29　普通止回阀+空气阀水锤防护模拟结果

由图6.29可以看出，使用普通止回阀和空气阀之后，最大管道升压依然很高，根据模拟结果，最大压力水头为273.47m，最大水锤压力为1648.7kPa，超过了水泵正常工作压力的1.3倍，不符合规范要求。普通止回阀不具有慢关功能，在水泵断电后迅速关闭，虽然可以防止水泵倒转，但由于关阀速度过快，水锤压力上升严重，会对阀门及管道造成破坏。管道中虽然设置了空气阀，但只提升了安装了空气阀的一小段管段，管道绝大部分仍处于负压状态。因此，普通止回阀+空气阀无法对泵送管路系统的停泵水锤进行有效保护。

2.普通止回阀+空气阀水锤防护+单向调压塔水锤防护

在上文方案基础上，增加单向调压塔来降低管道的升压和提升管道的负压。在J-59节点处设置一个单向调压塔，单向调压塔的初始水位2m，直径为1m，设定单向调压塔补水管径为200mm；在J- 15、J-72节点设置空气阀，进气口径设定为40mm，排气口径设定为8mm。模拟结果如图6.30所示。

由图6.30可知，在加入单向调压塔后，管道的升压有了明显的下降，根据模拟结果，最大压力水头为248.59m，管道最大水锤压力为1405.3kPa，满足规范要求。管道的负压也有明显的提升，最低压力水头为-6.7m，不会发生汽化使水柱拉断。由于使用普通止回阀，水泵也没有发生倒转。因此，使用普通止回阀+空气阀+单向调压塔可以有效对泵送管路系统的停泵水锤进行防护。

图6.30　普通止回阀+空气阀水锤防护+单向调压塔水锤防护模拟结果

6.4.1.5　自力控制阀+空气阀水锤防护

首先确定自力控制阀最优关阀控制。自力控制阀不同相对封闭度对应的相对流量系数依然按表6.3设定。根据无水锤防护停泵模拟计算结果可知，停泵后泵后流量降为0的时间为7.2s左右，因此选定7s为快关时间进行模拟。快关角度分别定为60°、70°、80°、90°。慢关时间初步定为60s，验证该角度下水泵是否能保证安全以及满足规范要求。通过模拟发现：在慢关时间为60s时，最高反转速度不超过额定转速的1.2倍的情况，满足规范要求。模拟结果如表6.7所示。

表6.7　不同快速关阀角度模拟结果

由表6.7可以看出，管道最大升压与快关角度成正比，水泵最大反转转速与快关角度成反比，同时增大快关角度能够在一定程度上降低管道内产生的蒸汽体积。当快关角度增大到80°时，管道中的最大水锤压力超过了水泵工作压力1.3倍，会对泵及管道造成威胁。综合考虑选择70°作为快关角度，其最大水锤压力为1430.4kPa，同时其最大水泵反转转速为正常转速的0.82倍，符合规范要求。

再确定快关时间与角度之后进行慢关时间的模拟选优。设定阀门快速关闭时间为7s，阀门快速关闭角度为70°，分别对总关阀时间30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s进行模拟，模拟结果如表6.8所示。

表6.8　阀门不同总关闭时间模拟结果

根据表6.8中数据确定最佳关阀控制方案为7s快关，快关角度为70°，阀门总关阀时间为60s。

在确定最佳关阀控制方案后，根据无水锤防护模拟结果，在容易出现水柱分离的三个管道高点J- 15、J- 59、J-72设置空气阀。空气阀进气口径设定为40mm，排气口径设定为8mm。模拟结果如图6.31所示。

根据图6.31分析可知，使用自力控制阀+空气阀水锤防护方案之后，管道内只有一小段管道产生了升压，方案对于降低管道升压效果显著，同时方案可以有效提升负压，大部分管道中的最低水头都在管道高程之上，最低水头为-4.69m。水泵最大反转速为1250r/min，符合规范标准。综上所述，自力控制阀+空气阀水锤防护方案可以对断电停泵水锤进行有效防护。

图6.31　自力控制阀+空气阀水锤防护模拟结果

6.4.1.6　自力控制阀+调压塔水锤防护

在J-59节点处设置一个单向调压塔，单向调压塔的初始水位5m，直径为1m，设定单向调压塔补水管径为200mm；自力控制阀依然选定上文确定的7s快关70°总关阀60s关阀控制方案。模拟结果如图6.32所示。

图6.32　自力控制阀+调压塔水锤防护模拟结果

由模拟结果可知，自力控制阀+单相调压塔的水锤防护方案能够有效降低管道升压，使管道压力保持在管道承压范围之内，但依然存在大段负压管段，最小压力有一部分超过了负压下限-8m，还需增加单向调压塔的数量或增设空气阀来应对管道负压。

6.4.1.7　自力控制阀+空气阀+调压塔水锤防护

由于增加单向调压塔的数量需要投入大量的资金，空气阀的设置相对更加经济，基于上一小节方案，增加空气阀来提升管道负压。在J-59节点处设置一个单向调压塔，单向调压塔的初始水位5m，直径为1m，设定单向调压塔补水管径为200mm；在J 15、J 72节点设置空气阀，进气口径设定为40mm，排气口径设定为8mm；自力控制阀依然选定上文确定的7s快关70°总关阀60s关阀控制方案。模拟结果如图6.33所示。

由模拟结果可知，泵送管路系统在使用自力控制阀+空气阀+调压塔水锤防护方案后，突然断电停泵后没有产生管道升压。联合方案可以有效降低停泵水锤造成的管道升压。由于空气阀的加入，管道中的最低水头包络线也大部分处于管道高程之上，只有小段产生了负压，均在负压下限-8m之内，最低为-2.59m，故联合水锤防护方案能够有效提升管道的负压。水泵最大反转转速为1113r/min，符合规范要求。自力控制阀+空气阀+调压塔水锤防护方案在发生停泵水锤时可以有效对泵及管道进行防护。

图6.33　自力控制阀+空气阀+调压塔水锤防护模拟结果

6.4.1.8　水锤防护方案对比总结

对上文不同水锤防护方案对比分析后可知，相比普通止回阀，自力控制阀在对降低管道的升压方面的效果好很多，在不使用单向调压的情况下也可以对停泵水锤进行有效防护。自力控制阀+单向调压塔+空气阀与自力控制阀+空气阀的水锤防护方案都可以对泵送管路系统的停泵水锤进行有效防护，自力控制阀+单向调压塔的水锤防护效果相比其他两种方案在对管道的负压控制方面较差，管路系统依然存在安全隐患。由于建设单向调压塔的成本高的问题，综合考虑后，选用自力控制阀+空气阀的水锤联合防护方案作为最终方案。