家庭水锤现象_东雷抽黄灌区加西二级泵站水锤计算及缓闭蝶阀的应用

　　摘要结合加西二级泵站的特点，探讨了在事故停泵水锤过程中，采用缓闭蝶阀消除水锤破坏的工程措施，通过水锤计算数学模型及水泵端的边界条件，计算分析了高扬程、长管道泵站系统的事故停泵水锤过程，结果证实采用缓闭蝶阀消除水锤能解决该站水泵装置问题中水锤控制及防护问题。
　　关键词加西二级泵站；水锤计算；缓闭蝶阀；应用；东雷抽黄灌区
　　中图分类号 TV675 文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）03-0275-02
　　
　　加西二级泵站位于渭南市大荔县范家镇，1979年建成，设计灌溉面积5 833.33 hm2，本级灌溉面积5 140 hm2，设计流量3.84 m3/s，设计扬程89.6 m，安装20 sh-6A型离心泵6台，配套TD-1 000型1 000 kW同步电动机6台，总装机功率为6 000 kW。主机组一列式布置，进水采用单机单池进水，出水采用双机单管出流；水泵出水侧配闸阀6台；压力管道为双机并管出流，管径800 mm，采用拍门断流。加西二级泵站在2008年列入《陕西省大型灌溉排水泵站更新改造项目》。
　　1设计概况
　　加西二级泵站本次设计净扬程84.83 m，安装DFSS500-6/6型离心泵6台，配套T1000-6-10KV-IP23型1 000 kW同步电动机6台，主机组一列式布置，进水采用单机单池进水，出水采用双机单管出流；水泵出水侧配缓闭蝶阀6台；压力管道为双机并管出流，管径800 mm，采用虹吸式断流。泵前吸水管采用管径800 mm钢管，泵后输水管采用钢管及预应力钢筋混凝土管，管径800 mm，输水管总长度669 m，经水力计算，水泵工作点扬程90.91 m。本泵站水泵扬程大、输水管线长，实际运行中极易发生水锤，从泵站运行安全、维修方便角度出发，水泵出口设置了缓闭蝶阀，降低整个系统水锤压力，提高系统运行安全性。
　　2水锤计算及其防护
　　2.1基本数据
　　一是水泵。并联管道双机运行时，水泵流量0.66 m3/s，运行扬程为90.9 m，轴功率693 kW，计算效率85.1%；并联管道单机机运行时，水泵流量0.71 m3/s，运行扬程为88.6 m，轴功率706 kW，计算效率85%；水泵转动惯量为25 kg/m2，水泵额定转矩为4 878 N・m。二是电机。型号为同步电机T1000-6-10KV-IP23-1 000 KW；转动惯量为100 kg/m2。
　　2.2稳态分析
　　系统稳态运行时水力坡降线如图1所示。水泵运行扬程为90.91 m，管道最大压力位于水泵出口。管道流量为1.30 m3/s，流速约为2.59 m/s。
　　2.3停泵水锤计算原理
　　停泵水锤的计算有图解法、数解法和电算法等多种方法[1-3]。其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这2个方程是双曲线族偏微分方程，公式如下：
　　运动方程式为：
　　连续方程式为：
　　式（1）、（2）中，H为管中某点的水头；V为管内流速；a为水锤波传播速度；x为管路中某点坐标；g为重力加速度；t为时间；f为管路摩阻系数；D为管径。
　　通过简化，求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程为：
　　H-H0＝F（t-x/a）+F（t+x/a） （3）
　　V-V0＝g/a×F（t-x/a）-g/a×F（t+x/a） （4）
　　式（3）、（4）中，F（t-x/a）为直接波；F（t+x/a）为反射波。在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴（H，V）中的表现形式为射线，即特征线。它表示管路中某2点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。为了方便计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵的时候水泵的2个边界条件方程式：
　　F1＝PM-BQv+Hn（β2+v2）（A0+A1x）-ΔH0v2/（τ2）＝0 （5）
　　F2＝（β2+v2）（B0+B1x）+m0-C3（β0-β）＝0 （6）
　　式（5）、（6）中，β为N/Nn（实际转速/额定转速）；v为Q/Qn（实际流量/额定流量）。
　　通过上述两式的联立，采用牛顿―莱福生迭代公式，可以解出v和β的近似数值。
　　将水泵的全面性能曲线改造为仅与转速和流速有关的全面性能曲线，以便计算机在解方程时取值，即：
　　WH（x）＝h/（β2+v2）（7）
　　WM（x）＝m/（β2+v2） （8）
　　式（7）、（8）中，h为H/Hn（实际扬程/额定扬程）；m为M/Mn（实际转矩/额定转矩）。
　　现行的水锤计算方法就是基于上述原理。
　　2.4几种边界条件下水锤工况的模拟结果
　　采用计算机程序模拟加西二级站水泵事故断电情况下，缓闭蝶阀以不同的关阀规律关闭。分析管路中出现的最大压力和水泵倒转的规律[4-7]。缓闭蝶阀按快慢2个阶段关闭，即：第1阶段阀门快关75°，剩余15°在第2阶段慢关完成。
　　2.4.1快关2 s，慢关4 s。管道中水锤压力包络线如图2所示。管道中出现最大压力为143 m处，位于缓闭阀后处。水泵无倒转，但出现倒流。水泵转速与流量变化曲线如图3所示。最大倒流量约在水泵额定流量的0.8 倍。
　　2.4.2快关2 s，慢关6 s。管道中出现最大压力为118 m处，位于缓闭阀后处。管道在停泵后无负压出现（图4）。水泵最大倒转为额定转速的0.41倍，在停泵后的7.19 s出现。最大倒流量为额定流量的0.88倍。停泵后4.6 s出现（图5）。
　　2.4.3快关2 s，慢关8 s。管道中出现最大压力为118.1 m处，位于缓闭阀后处。管道在停泵后无负压出现（图6）。水泵最大倒转为额定转速的0.41倍，在停泵后的7.59 s出现。最大倒流量为额定流量的0.90倍，停泵后4.9 s出现（图7）。与2.4.2工况相比，参数较为接近。
　　2.4.4快关3 s，慢关6 s。管道中出现最大压力为125.3 m处，位于缓闭阀后处。管道在停泵后无负压出现（图8）。水泵最大倒转为额定转速的0.66倍，在停泵后的8.16 s出现。最大倒流量为额定流量的0.98倍，停泵后5.17 s出现（图9）。
　　2.4.5快关3 s，慢关8 s。该种情况下管道中出现最大压力为105.6 m处，位于缓闭阀后处。管道在停泵后无负压出现（图10）。水泵最大倒转为额定转速的0.85倍，在停泵后的9.2 s出现。最大倒流量为额定流量的1.01倍，停泵后5.4 s出现。
　　3数据分析
　　通过以上分析，当关阀采用第1阶段快关2~3 s，慢关6~8 s的方式进行时，管道出现的最大压力在小于120 m处，水泵的最大倒转速为额定转速的0.66倍。对于系统的设计（下转第287页）
　　是合适的。当采用第1阶段快关2 s，慢关4 s的方案，水泵虽然无倒转，但管道内最高升压可达到143 m处。如采用此关阀方式，需增加钢管道壁厚，关阀时间小于此工况关阀时间的方案均不推荐。当关阀采用快关3 s，慢关8 s的方案时，管道压力仍在105 m以上，此时即使再延长关阀时间对降低管道升压影响不大，但却会增加水泵的倒转及倒流。故关阀历时长与此工况关阀时间的工况均不推荐。在各种关阀工况下，管道的最低包络线均高于管道高程，故管道在停泵后虽有压力波动，但不会出现负压。管道的设计不需要防负压保护的措施。
　　4结语
　　综合以上分析，本次设计推荐关阀历时在第1阶段2~3 s，关闭角度为75°，第2阶段10 s内结束，关闭角度15°。据此确定泵站压力管道及泵房内阀门等设备压力等级可选用1.6 MPa等级。确定管材为：水泵出口段钢管采用14 mm厚的钢管，压力管末梢段采用承插接口预应力混凝土管。
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