长距离供水系统水锤防护计算分析

长距离供水系统水锤防护计算分析

在泵系统中，无论关闭针头还是水泵的启动和停车，管道中的速度差以及压力的急剧上升和降低都会导致水锤事故。因此，应选择合理的锤保护措施，在管道上的最大压和最大压控制在管道的允许范围内，同时实现水锤保护设备的安全、经济、可靠。是设计水泵系统的重要任务之一。在长管道的供水系统中，通常会安装调试塔来保护水锤。在比较和分析不同水锤保护措施的基础上，本文重点研究了空气装置的水锤保护特性以及用作水锤保护设备的适用条件和场景。广东省大亚湾引水工程为正在建设中的长距离输水工程,水柱分离及再弥合水锤是这类长管道系统瞬变流过程中的共同特点.根据不同管线所具有的不同水锤特征,必须采用不同的水锤防护措施.本文结合对该工程事故停泵水锤的模拟,研究了空气阀的水锤防护效果.大量计算表明,空气阀在特定的条件下可以用作水锤防护的主要手段,但它不能用作通用的防护措施,而应根据工程的具体特点适当加以应用,否则,不仅达不到消除水锤的目的,有时还会适得其反,形成新的局部水锤源.1空气流量等指标空气阀是一种用于防止停泵水锤过程中产生负压的特殊阀门,它装设在管线凸起部位.当管内压力低于大气压时吸入空气,而当管道中压力上升高于大气压时排出空气.空气阀不允许液体泄入大气,在排除空气时具有自动关闭的功能.由于空气阀是采用补气的方法来防止管道中因负压而造成的水锤事故,与空气罐和调压塔等其他水锤防护措施相比,它具有构造简单、造价低、安装方便、不受安装条件限制等特点.由于空气阀的进气、排气和管中水流的运动过程很复杂,故必须采用数值计算的手段才能求得精确解.在水锤数值分析中,空气阀的边界条件主要反映在通过阀流入流出管道的空气流动特性.而空气流量则取决于管内外空气的绝对压力p与pa、绝对温度T与Ta,见文献.对如图1所示的空气阀所在管线,可以推导出空气阀的边界条件为pVi+0.5Δt[Qi−Qpxi−CM+CPB+2B(pρg+z−H¯¯¯)]Vi+0.5Δt[Qi-Qpxi-CΜ+CΡB+2B(pρg+z-Η¯)]=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RT(1)=[m0+0.5Δt(m˙0+m˙)]RΤ(1)式中:Δt为计算时间步长;Vi、m0分别为Δt开始时的空气体积与质量;Qi、Qpxi分别为Δt开始与结束时流入流出空穴的流量;m˙m˙0、m˙m˙分别为Δt初和Δt末空气流入或流出空穴的质量流量;R为气体常数;T为绝对温度;CM、CP为水锤相容性特征线方程中的计算常数;B为管道特性常数;z为空气阀的安装高度;H¯¯¯Η¯为气压计压头.方程(1)中的未知量是p,空气质量流量m˙m˙又是p的函数,由气体流入流出管道的质量流量关系,可以建立如下的表达式:m˙=A2ip′2+A1ip′+A0i‚m˙=CinA00.686p0/RT0−−−−√‚m˙=D2ip′2+D1ip′+D0i‚m˙=−0.686CoutA0p0p′/RT−−−√‚当0.528≤p′≤1.0当p′＜0.528当1.0＜p′≤1.894当p′＞1.894⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(2)m˙=A2ip′2+A1ip′+A0i‚当0.528≤p′≤1.0m˙=CinA00.686p0/RΤ0‚当p′＜0.528m˙=D2ip′2+D1ip′+D0i‚当1.0＜p′≤1.894m˙=-0.686CoutA0p0p′/RΤ‚当p′＞1.894}(2)式中:p′为无量纲压力,p′=p/p0;Aji、Dji为空气阀过流特性曲线的抛物线拟合系数,j=0,1,2;Cin、Cout为空气流入、流出空气阀时的流量系数;A0为空气阀的孔口面积.公式(1)～(2)构成了空气阀的边界条件,可以联立进行求解.2计算示例2.1回采空气阀在长片回采过程中的应用大亚湾引水工程通过两级泵站提水(流量4.8m3/s)后输送至广东省惠州市境内的风田水库,再从风田水库取水分别送至中海壳牌石化厂和大亚湾经济开发区.大亚湾引水工程为双水源、多梯级、高摩阻、长距离的输水系统,输水管线全长约55.37km.工程布置示意图如图2所示.为了分析比较空气阀在长距离输水系统中的应用,并预测采用水锤防护措施后的事故停泵水力过渡过程,分别对西枝江新湖泵站～彩塘泵站段和彩塘泵站～风田水库段进行计算.两条管线的纵剖面图分别见图3、4所示.基本资料如下:新湖泵站:水泵额定流量1.63m3/s,额定扬程27.03m,额定转速590r/min,额定效率86.5%,机组转动惯量374kgm2,水泵比速232;管道直径2000mm,长度12217m,水锤波速962m/s;进水池水位7.5m,出水池水位18.00m.彩塘泵站:水泵额定流量1.63m3/s,额定扬程42.25m,额定转速980r/min,机组转动惯量255kgm2,水泵比速195;管道长度20417m;进水池水位18.00m,出水池水位33.30m.其他同上.2.2计算事故停油流量转换的过程2.2.1再类高压旋转轴事故停泵水锤压力(1)无空气阀时的事故停泵水锤图5所示为西枝江新湖泵站3台泵同时事故停泵时的水力过渡过程计算结果.当水泵出口阀以快关30s/60°、慢关60s/30°的两阶段关阀程序关闭时,分离水柱再弥合所引起的最大水锤压力水头为99.83m,发生在事故停泵后414.4s、距水泵出口15490m的管线最高点处.研究表明,按水柱分离模型计算得到的第一次压力峰值与实际较为吻合,据此,在西枝江新湖～彩塘泵站段可能产生的最大水锤压力约为1.0MPa,远大于管道允许承压能力(0.6MPa).(2)空气阀防护条件下的事故停泵水锤图6所示为新湖～彩塘段设置空气阀后,距泵出口L/8、L/2和7L/8三点的事故停泵水锤过程,此时管线中的最大水锤压力不会超过管线初始工作压力,表明空气阀的设置可以有效地防止管道中水柱分离的产生,并将最大水锤压力控制在允许范围以内.2.2.2空气阀防护方式的确定(1)无空气阀时的事故停泵水锤图7所示为水泵出口液控蝶阀采用快关30s/60°、慢关60s/30°两阶段关阀时的水力过渡过程,此时管道中最大弥合水锤压力为162.46m,发生在水泵出口.(2)设置空气阀防护时的事故停泵水锤分别在1669m、9614m、11759m、14087m和18450m等5处安装空气阀进行水力过渡过程模拟,计算结果如图8所示.尽管此时管中最大水锤压力水头有所降低,但仍达76.04m,而且管道中的压力振荡加剧.更多的计算结果表明,通过增加彩塘～风田水库段空气阀的数量不可能进一步降低管中水锤压力,因而,采用空气阀防护方案是不可行的,必须采用其他的水锤防护措施.(4)空气阀与调压塔的联合水锤防护经过大量计算与分析,并结合当地的工程实际,对本管线采用空气阀与普通调压塔和单向调压塔联合防护的技术方案,如图9所示,相应的事故停泵水力过渡过程如图10所示.3局部有应压力比较上述大亚湾引水工程两条输水管线中空气阀水锤防护的计算结果,有如下的特点:(1)西枝江新湖泵站至彩塘泵站段的管线布置特点是在距水泵出口15490m后存在约480m长的凸起管段,因而在停泵后的负水锤阶段产生负压,形成水柱分离.但16104m后的管段都位于新湖泵站出水池(彩塘泵站进水池)水位18.00m以下,这是本管段可以采用空气阀进行水锤防护的基本条件.当布置空气阀后,在事故停泵阶段,空气阀自动开启进气,形成液气两相流以降低波速和形成局部气囊缓冲弥合水锤压力,可以起到水锤防护的作用.空气阀断流后的部分管段将接近于重力流,不会引起较大的压力波动;对于此前的管段,则可以通过水泵出口液控蝶阀的合理调节,达到消除事故停泵水锤的目的.(2)彩塘至风田水库段为多峰局部凸起的管线布置,事故停泵后将出现多处水柱分离,此时由于不能形成管道重力流动,因而空气阀无法起到隔断水流从而破坏水柱分离产生的作用.在此条件下,设置调压塔是一种非常有效的防止水柱分离及再弥合产生的技术措施.根据工程技术经济比较,选用了设置一座普通调压塔和一座单向调压塔的水锤防护方案(见图9),相应于该方案的管道压力包络线如图11所示.(3)上述计算中所采用的空气阀直径为0.25m,其他参数设置为:环境温度313.15K,大气压力100kPa,水体温度293.15K.计算表明,采用文献中的进排气流量系数,即Cin=0.975、Cout=0.65时空气阀的水锤防护作用甚微,只有当Cin/Cout>10以后作用才较为明显.为此,应对空气阀的生产提出合理的进排气孔设计要求,否则难以达到水锤防护的目的.限于篇幅,本文对此不进行详细的讨论.(4)在长距离输水系统中,空气阀的使用十分广泛.除了在上述特定的场合可以单独作为事故停泵水锤的防护手段外,它同时也是空管启动时管道排气的必要设备,因而,空气阀通常可用作水锤防护的辅助措施.由于空气阀在负水锤阶段将吸入大量的空气,这些存气极易形成气囊,导致局部“气锤”的产生,因此,在采用空气阀时一定要注意管道启动过程中的排气.4空气阀水锤防护措施适用条件随着我国经济建设的发展,长距离输水管道系统的兴建越来越多,它们往往受到地形和其他建筑物的限制而呈现起伏变化复杂和“刚性连接”的特点,因而极易在管道中产生水柱分离及再弥合水锤,必须采用合理的措施进行水锤防护.本文通过大量的计算分析并结合工程实例,对长管道泵系统中采用空气阀作为防护手段的可行