气垫调压室联合单向塔的停泵水锤防护研究_赵立杨.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 2 2 5 9气垫调压室联合单向塔的停泵水锤防护研究赵立杨1,冯梦雪2,李 昊3,俞晓东1(1.河海大学水利水电学院,江苏 南京 2 1 0 0 9 8;2.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 5 1 0 6 1 1;3.吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 1 3 0 0 2 1)摘要:针对某长距离、大流量、高扬程泵站加压供水工程,对事故停泵进行模拟。结合工程地形特征,提出采用气垫调压室和单向塔联合防护的方法,并结合管道压力控制要求,对泵后阀门关闭规律及调压室阻抗孔径进行敏感性分析。结果表明,气垫调压室可有效防护停泵水锤及泵后阀快速关闭产生的关阀水锤,单向塔解决了气垫调压室持续补水导致的局部高点低压问题,保护了高点管段安全。联合防护方案可显著减小气垫调压室体积,节约工程成本。另外,泵后阀关闭规律及气垫调压室阻抗孔面积对管道的水锤压力影响较大,关阀过快或阻抗孔口面积过大会导致管道正压超标;关阀过慢或阻抗孔口面积过小会导致管道出现较大负压,具体工程需结合过渡过程模拟进行优化,对于本工程,经过模拟优化,阻抗孔口直径取0.8 m,泵后阀采用5 s直线关闭,结果可满足调保计算要求。关键词:长距离供水工程;过渡过程;事故停泵;水锤防护;气垫调压室中图分类号:TV 6 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 8 1-0 4收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 8,修回日期:2 0 2 2-1 2-1 2基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 1 7 9 0 6 2)作者简介:赵 立 杨(1 9 9 8-),男,硕 士 研 究 生,研 究 方 向 为 长 距 离、跨 流 域 泵 站 输 水 系 统 的 供 水 安 全,E-m a i l:1 5 4 8 7 6 8 4 8q q.c o m通讯作者:俞晓东(1 9 8 5-),男,博士、教授、博导,研究方向为水电站、泵站系统的过渡过程仿真与稳定性控制,长距离、跨流域输配水系统水锤防护及优化调度,E-m a i l:y u x i a o d o n g_8 5 1h h u.e d u.c n1 工程概况某长距离、大流量供水工程管线布置见图1。取水口水位高程为8 7 1 m,输水管线在前3/4段总体较平缓,局部多起伏,高程爬升到8 9 0 m;后1/4段管线距离短,爬升快,总体较陡峭呈上升趋势,直达出水口水位高程9 3 4 m。输水线路为单管布置,管道总长2 0 0 2 6 m,管材为p c c p,设计承压标准为1 0 0 m,管径为D N 3 0 0 0。水泵位于管线起点,单泵设计流量为3.3 4 m3/s,3台水泵并联120100806040200-20-40-60压力/m05 00010 00015 00020 000桩号/m最大压力最小压力管道承压标准-10 m压力图1 稳态运行时输水系统管中心线高程及测压管水头线F i g.1 E l e v a t i o n o f p i p e c e n t e r l i n e a n d p i e z o m e t r i c p i p e h e a d l i n e o f w a t e r c o n v e y a n c e s y s t e m u n d e r s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n输水,设计总流量为1 0 m3/s。全线管道总水头损失为1 3.0 3 m,水泵实际扬程为7 6.0 3 m。全线管道最大内水压力为7 8.0 8 m,位于水泵出口处;最小内水压力为1 2.3 m,位于管线末端。在输水系统无水锤防护措施,水泵发生抽水断电的情况下,全线管道的最大、最小内水压力包络线见图2。全线管道的最大压力为7 8.0 8 m,位于水泵出口处;由于水泵突然断电,泵后瞬时降压达到7 6 m,其产生的降压波迅速向管道传播,导致绝大部分管道压力降为负值,全线压力最小值达120100806040200-20-40-60压力/m05 00010 00015 00020 000桩号/m最大压力最小压力管道承压标准-10 m压力图2 无防护断电管道最大与最小内水压力包络线F i g.2 M a x i m u m a n d m i n i m u m i n t e r n a l w a t e r p r e s s u r e e n v e l o p e s o f p i p e l i n e a f t e r p u m p f a i l u r e w i t h o u t p r o t e c t i v e m e a s u r e到-4 4.5 1 m,位于桩号1 8+1 4 0处。若不设置水锤防护措施,系统将会出现液柱分离现象进而产生弥合水锤,造成管道破坏。故需要为输水系统设置合理的水锤防护措施,在保障管道安全的前提下,尽量节约工程成本。目前应用于供水工程的水锤防护措施较多,常见的有单向塔、空气罐等1,2。但随着工程规模的扩大,单一防护措施不仅增加工程成本,且防护效果减弱。目前,针对水锤联合防护和气垫调压室已进行了深入研究3,4,但将气垫调压室应用于供水工程水锤防护的案例较少,且系统参数对其过渡过程的影响规律还需研究。因此,本文仿真模拟了该工程事故停泵过渡过程。研究了气垫调压室联合防护方案的防护效果,以及关阀规律和阻抗孔径的影响。2 数学模型长距离供水工程过渡过程及防护措施相关数学模型已较为成熟,本文仅给出气垫调压室数学模型及求解方法,示意图见图3。图3中HP为气垫调压室底部压力,m;Q1、Q2分别为气垫调压室上、下游侧的流量,m3/s;Qs t为流进、流出气垫调压室的流量,m3/s;Zs t、hc分别为气垫调压室水位高程和中心高程,m;L、ls、R分别为气垫调压室总长度、水面线宽度和圆断面半径,m;P为气垫调压室内气体绝对压力,P a。LPRlshcZstQstHPC+Q1Q2C-空气水图3 气垫调压室示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a i r c u s h i o n s u r g e c h a m b e r压力管道瞬变流计算方程为:C+:HP=CP-BPQ1C-:HP=CM+BMQ2(1)式中,Cp、BP、CM、BM均为t-t时刻的已知量,其中CP、BP可由气垫调压室前节点t-t时刻的压力和流量得到;CM、BM可由气垫调压室后节点t-t时刻的压力和流量得到。气体状态方程为:P Vna i r=C(2)式中,Va i r为气垫调压室内气体体积,m3;n为状态方程多方指数,等温变化时取1,绝热变化时取1.4;C为与气垫调压室内气体初始状态有关的常数。水面面积与气体体积变化方程为:As t=lsL=2L R2-(Zs t-hc)2(3)Va i r=Llshc-Zs t()2+R2a r c c o sZs t-hcR (4)式中,As t为气垫调压室内水面面积,m2。气垫调压室水位与流量关系为:As tdZs t/dt=Qs t(5)水头平衡方程为:HP=Zs t+(P-P0)/+k Qs tQs t(6)式中,P0为当地大气压力,P a;为水体重度,N/m3;k为气垫调压室节点处的水力损失系数。流量连续方程为:Q1=Qs t+Q2(7)对式(5)、(6)积分并取二阶近似,得:Z=Zs t-Zs t 0=tQs t+Qs t 0()/(2As t 0)(8)HP=Zs t+(P-P0)/+k Qs tQs t 0(9)式中,Zs t 0、Qs t 0、As t 0均为t-t时刻的已知量。将式(4)代入式(2)得:P Ana i r=Pls(hc-Zs t)/2+R2a r c c o s(Zs t-hc)/R n=C1(1 0)其中C1=C/Ln式中,Aa i r为气垫调压室圆断面气体面积,m2。将式(1 0)化简得:P Ana i r 0-n An-1a i r 0ls 0Zs t-Zs t 0()Aa i r 0 =C1(1 1)P=C2+C3Z(1 2)其中C2=C1/Ana i r 0;C3=n ls 0C2/Aa i r 0联立式(1)、(7)(1 2),可得:HP=C5+C4CP/BP+CM/BM()1+C41/BP+1/BM()(1 3)其中C4=(1+C3)t/(2As t 0)+k Qs t 0C5=Zs t 0+C2-P0/+(1+C3)t Qs t 0/(2As t 0)利用式(1 3)求得HP,其他瞬变量也可求得。3 防护方案研究3.1 防护方案选择由于该工程扬程高、流量大,根据系统布置和恒定流计算,若采用双向塔防护停泵水锤,所需双向塔高接近7 0 m,工程成本过高且不易检修维护;若采用空气罐防护方案,所需空气罐总体积势必较大,由于地形条件限制和场地空间有限,空气罐不便于安装,再加上造价过高且需要配套保温措施,会使工程成本激增。而气垫调压室可设置28水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期赵立杨等:气垫调压室联合单向塔的停泵水锤防护研究在泵后地下,与输水管道相接,易于安装和维修检测,且保温措施要求不高,在运行上较为经济和安全。本工程泵站后地下具备建设气垫调压室的条件,故拟采用以气垫调压室为主要防护措施的防护方案。对气垫调压室独立防护方案(方案A)与气垫调压室、单向塔联合防护方案(方案B)进行过渡过程仿真模拟,得到的最小内水压力包络线见图4。表1为气垫调压室参数,其中方案B单向塔桩号1 1+8 4 0,底部高程8 9 9.3 4 m,直径3.5 m,高度2 5 m,连接管直径1.8 m,初始水位9 2 4 m。两种方案均能满足调保计算要求。方案A方案B302520151050压力/m05 00010 00015 00020 000桩号/m图4 两方案最小内水压力包络线F i g.4 E n v e l o p e s o f t h e m i n i m u m i n t e r n a l w a t e r p r e s s u r e u n d e r t h e t w o s c h e m e s表1 两方案气垫调压室参数T a b.1 P a r a m e t e r s o f a i r c u s h i o n s u r g e c h a m b e r u n d e r t w o s c h e m e s方案水深/m气室高度/m长度/m纵截面积/m2底部安装高程/m连接管直径/m初始气体绝对压力/m总容积/m3A1.51.58 778 6 7.1 60.88 2.2 86 1 0B1.51.55 378 6 7.1 60.88 2.2 83 7 0由图4可知,在管道前半段方案A的最小压力优于方案B,经过单向塔后管段情况相反。这是因为管道前半段的最小压力由气垫调压室控制,方案A的气垫调压室体积相对较大,有更充足的水量对管道进行补水,能更好地抑制管道压力下降;管道后半段情况相反的主要原因有两方面:管道高程偏高,当气垫调压室对这部分管道进行补水时,水流行进的动能逐渐减弱,防护效果渐渐变差;方案B中单向塔与后半段管道更接近,当管道压力下降时能更迅速及时地对其进行补水防护,防护效果更好。方案B中单向塔的设置缩减了气垫调压室体积且能保证全线管道的安全,后续研究将以方案B为基础。3.2 泵后阀门关闭规律研究由于气垫调压室设置在泵站出口,一旦水泵发生抽水断电事故,气垫调压室内的高压会导致水体迅