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水利单向稳压塔在管道水锤保护中的应用

发表时间：2020/1/3 来源：《建设者》2019年20期作者：王占勇王松波

[导读] 单向塔横截面积 60m2，并在 k0+930.25 处设置 DN800 真空破坏阀的新增水锤防护方案是安全可行的。

河北建工集团国际工程有限公司河北石家庄 050031
　　摘要：本工程为某国水利泵站改造工程，需要将陈旧的水泵及电机全部进行更换，原有输水管道不变，根据对水泵机组抽水断电过渡过程计算结果，如出现水泵机组抽水断电事情发生，则管路沿线压力正、负压力值均较大，没有起到水锤防护效果，主泵机组可能出现严重的破坏。因此本工程排水线路不适合单纯采用空气阀措施，进行水锤防护，需研究其他防护措施代替空气阀进行水锤的正、负压防护。
　　关键词：泵站改造；水锤分析；单向稳压塔
　　
　　
　　1概述
　　项目位于乌兹别克斯坦境内，泵站需更换四台立轴单吸蜗壳泵，其中 4 台（1 ～ 4#，1 台备机）单机设计流量 13.3 m3/s、设计扬程为 45m，额定转速 250 rpm，水泵效率值 88%，水泵叶轮直径 1.6m，配套四（4）单机功率为 8500kW 电压 10Kv 的立式同步电机，排水直径DN3240；泵站采用肘形管进水流道，虹吸管出水流道，真空破坏阀断流。
　　根据对水泵机组抽水断电过渡过程计算结果得知，控制工况下当 2 台水泵同时抽水断电时，水泵没有发生反转，但由于空气阀设置不当，泵后压力发生较大震荡。管路沿线压力正、负压力值均较大，没有起到应有的水锤防护效果，系统可能出现严重的破坏。
　　2工程难点
　　本工程属于低扬程、大流量泵站，由于包含虹吸结构，且采用了真空破坏阀进行水锤防护，使得过渡过程计算和单向塔保护措施具有一定难度，故需详细分析讨论，以确保工程安全。
　　3计算说明

　
　　图 1-1 哈尔胡尔支线系统布置图
　　泵站原系统布置图如图 1-1 所示，其在实际运行期间有多种运行工况：通常干管流量越大，抽水断电发生后，管道内的水压力降低幅度越大；而进水池水位越低、出水池水位越低，有压管道初始内水压力越低，抽水断电发生后越容易因压力降低产生较大负压，故抽水断电过渡过程的控制工况为：
　　进水池最低水位 218.5m，出水池水位 261.22m，单泵输水流量 13.3m3/s，水泵扬程 52.12m，2 台泵同时发生抽水断电事故。拟定泵后阀关阀规律，第一段关闭规律：以 1/12s 速率一段直线关闭至 30°，第二段关闭规律：以 1/72s 速率一段直线至阀门关闭。
　　3.1原防护方案缺陷
　　原线路中，在 k0+320、k0+322 处设置了 DN1000 的空气阀，在k0+930.25 处设置 DN800 的真空破坏阀进行水锤防护，其控制工况下的计算结果如图 1-2 ～ 1-9。

　　图 1-2 管线压力包络图

　
　　图 1-9 真空破坏阀压力变化
　　由图 1-2 至 1-9 计算结果可知，由于泵后阀门迅速关闭，过渡过程中水泵未发生反转，但泵后管道中压力发生较大震荡，管路沿线压力正、负压力值均较大，无法满足水锤压力控制的要求，系统可能出现严重的破坏。分析主要原因如下：
　　1、抽水断电事故发生后，由于泵后降压较大，大量空气经空气阀被吸入管道，当管内压力上升后，其排气过程中的气体流速往往较大，导致在空气阀排气结束时刻（50s 左右）发生了剧烈的气柱弥合过程，气柱弥合产生的高压经阀门与高位水池反射后，又形成了较大负压，导致了空气阀的反复抽排，加剧了压力震荡。
　　2、空气阀设置位置选取不当，距离泵站较近，且未设置在管道的局部高点处，导致局部高点（桩号k0+135.93）处负压较大；空气阀不应设置在管道中部，该处正常运行时压力较大，一旦水流倒流，将产生较大的倒流速度，继而引起异常大的气柱弥合压力。
　　3、从现有资料分析，目前采用的空气阀是常规的浮球式空气阀，不具备快进缓排的水锤防护功能。
　　3.2新防护方案设计

　　
　　图 1-10 新增方案系统布置图
　　新增方案系统布置图如图1-10 所示，由原防护方案计算结果得知，由于泵后阀门迅速关闭，过渡过程中水泵未发生反转，但泵后管道中压力发生较大震荡，管路沿线压力正、负压力值均较大，无法满足水锤压力控制的要求，系统可能出现严重的破坏。
　　考虑到当前已经设置的阀门关闭规律不宜调整，其在 8-10s 内，将完全打开的主阀关闭 60-70 度；在后续的 15s 内，关闭剩余的20-30 度。故拟定泵后阀关阀规律，第一段关闭规律：以 1/12s 速率一段直线关闭至 30 度，第二段关闭规律：以 1/20s 速率一段直线至阀门关闭。
　　由于当前空气阀位置设置不当，在空气阀进、排气后产生气柱弥合现象，对管道系统造成严重破坏。现考虑弃用空气阀，在局部高点处（桩号 k0+135.93）增设单向塔，塔内水位高程 262m，连接管直径与单向阀直径均取 2.2m，单向塔横截面积 60m2。
　　3.2.1新防护方案复核计算
　　进水池最低水位 218.5m，出水池水位 261.22m，单泵输水流量 13.3m3/s，水泵扬程 52.12m，2 台泵同时发生抽水断电事故。拟定泵后阀关阀规律，第一段关闭规律：以 1/12s 速率一段直线关闭至 30 度，第二段关闭规律：以 1/20s 速率一段直线至阀门关闭。
　　在局部高点处（桩号 k0+135.93）设置单向塔，塔内水位高程 262m，连接管直径与单向阀直径均取 2.2m，单向塔横截面积 60m2；在 k0+930.25 处设置 DN800 的真空破坏阀进行水锤防护，其控制工况下的计算结果如图 1-11 ～ 1-18。

　　
　　图 1-11 管线压力包络图

　
　　由图 1-11 ～ 1-18 可以看出，通过在局部高点处（桩号k0+135.93）设置单向塔，并在 k0+930.25 处设置 DN800 真空破坏阀，可有效进行水锤防护。过渡过程中水泵未发生倒转，满足倒转转速控制的要求；管道沿线压力极大值为 59.49m，位于桩号 0+015.59 处，未超过初始内水压力的 1.3 ～ 1.5 倍；压力极小值为 -2.43m，位于桩号 0+932.06 处，未低于-5m 压力控制值，故压力极值均符合承压标准。
　　4结论
　　在新增防护方案设计中，拟定工况：进水池最低水位 218.5m，出水池水位 261.22m，单泵输水流量 13.3m3/s，水泵扬程 52.12m，2 台泵同时发生抽水断电事故。拟定泵后阀关阀规律，第一段关闭规律：以1/12s 速率一段直线关闭至 30 度，第二段关闭规律：以 1/20s 速率一段直线至阀门关闭。
　　综上，通过在排水管道局部高点处（桩号 k0+135.93）设置单向塔，取塔内水位高程 262m，连接管直径与单向阀直径 2.2m，单向塔横截面积 60m2，并在 k0+930.25 处设置 DN800 真空破坏阀的新增水锤防护方案是安全可行的。