长距离输水管道启泵水锤模拟及试验验证

2016-04-06 13:10杨晓蕾邱象玉杨进新

水利规划与设计 2016年3期

杨晓蕾，邱象玉，杨进新

（北京市水利规划设计研究院，北京100048）

长距离输水管道启泵水锤模拟及试验验证

杨晓蕾，邱象玉，杨进新

（北京市水利规划设计研究院，北京100048）

摘要：水锤是流体的一种非稳定流动。在长距离输水工程中，水锤现象有可能会造成很大的危害。本文以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为例，对长距离输水管道启泵过程中的水锤现象进行模拟，并通过试运行时的实测资料对模拟结果进行验证。结果表明，模拟结果与试验结果非常接近。通过本次模拟及试运行发现，在长距离输水管道启泵过程中，管道内会产生明显的升压，必须予以重视，否则存在管道破裂的风险。

关键词：长距离输水管道，启泵水锤，试运行试验，HAMMER软件

水锤是流体的一种非稳定流动。管道中某一截面由于流速发生了改变从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌，这个压力的瞬变波称为水锤。水锤现象会造成以下几种危害：造成管道或设备强度不够而破裂、管道塌瘪、管道接口位置改变和渗漏。［1-6］

通过对泵站输水工程各种工况下水锤的分析研究，可以确定管线的最大、最小压力及机组的最大倒转速，优化泵后阀门的开启和关闭规律，优化管线沿程空气阀布置，为引水系统布置、机组参数选取及泵站机组招标等提供技术参数，也为泵站工程的设计和最终安全可靠运行提供技术保证。

本文以南水北调来水调入密云水库调蓄工程中的雁栖泵站及PCCP输水管道工程为例，对长距离输水管道启泵过程中的水锤现象进行模拟，并通过试运行时的实测资料对模拟结果进行验证。

1　工程概况

由于南水北调来水与北京市用水过程不匹配，需设置大型调蓄工程予以处理，以提高城市供水的可靠性和稳定性。在通水初期将南水北调多余来水调入北京，加强北京的水资源战略储备。

将南水北调来水调入密云水库，可解决密云水库近年来来水量及供水量逐年减少，供水功能逐年下降问题，同时解决密云水库目前蓄水量少，不能满足补偿调节要求的问题。工程建成后，可扩大南水北调供水范围，为昌平、怀柔新城使用南水北调水创造条件。

工程由团城湖通过京密引水渠反向输水、经六级泵站将水提升至怀柔水库，部分水量经怀柔水库分水回补水源地，其余水量再经三级泵站加压输水至密云水库，线路总长103km，总扬程149.3m［7］。

雁栖泵站及其后22km长PCCP输水管道工程是密云水库调蓄工程的一部分。雁栖泵站是工程中的第八级加压泵站，PCCP管道末端为溪翁庄泵站前的调蓄水池。

2　模拟软件简介

本次使用的模拟软件为HAMMER软件。HAMMER软件能够对复杂的水泵系统和管网从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化进行分析［8］。

3　基本参数

根据工程设计资料，雁栖泵站内装置3台卧式单级双吸离心泵（2用1备），单泵额定流量为5m3/s，额定转速为495.0rPm，转轮直径为1.40m，水泵设计扬程为55.1m。每台泵后设置两台DN1600液控缓闭蝶阀。

泵后管线长22km，为DN2600mm的PCCP管道。管道糙率取0.012，波速a取1157m/s。PCCP管道纵断面图见图1。管道全线共布置32台排气阀，排气阀为DN250复合式，排气孔径为250mm。

图1　PCCP管线纵断面示意图

雁栖泵站前池设计水位及PCCP管道末端调蓄池设计水位见表1。

表1　前池和末端调蓄池水位

在模拟及试运行期间雁栖泵站前池实测水位为60.30m，末端调蓄池实测水位为92.60m。本次模拟采用实测水位。

4　启泵水锤模拟

由于本工程水泵不能调频，根据以往工程经验，启泵前必须保证泵后管道内充满水，否则会产生断流弥合水锤，造成管道破裂。水泵启动前应保持泵后液控缓闭蝶阀处于关闭状态，然后启动水泵，待水泵达到额定转速后再打开泵后液控缓闭蝶阀。蝶阀打开时水流对管道冲击会产生启泵水锤。如果蝶阀开启时间过短，则启泵水锤造成的管道升压超出规范的要求；如果蝶阀开启时间过长，会使得水泵长时间处于空转，蝶阀前承受压力时间过长，蝶阀开启过程中产生振动等。因此，确定一个合理的液控缓闭蝶阀开启时间是启泵水锤模拟的最终目的。本次分别对液控缓闭蝶阀线性开启时间10s、60s、120s三种工况进行模拟计算。

经计算，本工程水泵的比转速为199.8，由于在HAMMER软件中没有比转速为199.8的水泵的全特性曲线且软件不能输入新的水泵全特性曲线，为保证设备选型准确，本次分别选用HAMMER软件中已带的比转速为169及208的水泵全特性曲线进行启泵水锤模拟。

各种工况下管道沿线的最大压力点及最大压力值见表2。

表2　各种工况管道最大压力统计表

通过模拟计算，本工程中管道的最大压力对液控缓闭蝶阀开启时间变化并不敏感，但是对水泵的比转速变化较敏感。各种工况下管道最大压力值均小于管道的最大设计压力112m。综合考虑操作方便、便于管理、保护设备、蝶阀漂移等因素，确定泵后液控缓闭蝶阀的自动化控制开启时间为120s。

5　试运行试验及模拟结果验证

2015年8月14日10∶28分，雁栖泵站2#水泵及3#水泵先后开机。开机顺序为：启动2#水泵机组（闭阀造压），达到额定转速，90s（为实测时间、有漂移）线性开启水泵后液控缓闭蝶阀，2#水泵机组启动完成；6分钟后，启动3#水泵机组（闭阀造压），达到额定转速，60s（为实测时间、有漂移）线性开启水泵后液控缓闭蝶阀，3#水泵机组启动完成。在管道沿线共设置了压力监测点，以便监测管道内的压力变化。各压力监测点的监测数据及模拟数据见表3。各压力监测点的监测数据及模拟数据对比曲线见图2～图4。

由表3及图2～4可以看到，管道在两台水泵启动、液控缓闭蝶阀打开的过程中有一个明显的升压及波动过程。监测结果基本位于水泵比转速为169和208时模拟结果之间，且接近水泵比转速为169的模拟结果。通过对试运行试验监测结果及计算模拟结果进行对比表明，在前期设计过程中应用HAMMER软件分析泵站及管道系统的启泵水锤过程的成果是可以满足设计要求的。