庄头泵站蝶阀关闭参数对停泵水锤的影响

王 丽，吴建华，李 琨，孙一鸣，韩亚男，刘 琪

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

在长距离供水工程中，两阶段液控蝶阀是必不可少的事故停机防护水锤措施[1]，通过控制其快关、慢关角度及快关、慢关时间来调节水泵的转速、流量及系统的最大、最小压力，并使其满足规范要求，然而具体影响趋势并没有进行深入探讨。为探究两阶段液控蝶阀的关闭时间、角度对水力过渡过程各参数的具体影响趋势，本论文对两阶段液控蝶阀两阶段关闭时间及快关、慢关角度对压力管道水力过渡过程的影响进行研究分析。

1 工程概况

辛安泉供水改扩建工程是山西大水网建设骨干工程之一，地处山西省长治市，工程任务是为长治市各县区提供城乡生活、工业和农业灌溉用水[2]。工程线路总长约152.2 km，沿线建有北耽车泵站、辛安泵站、庄头泵站、韩家园泵站、漳泽泵站[2]。本论文庄头泵站为研究对象，庄头泵站共有8台水泵，其中水泵型号为SLOW300-710BT的单级双吸卧式离心泵有3台；水泵型号为SLOW500-1050AT的单级双吸卧式离心泵有5台，线路总长为3 637.76 m。本文对1台SLOW300-710BT水泵发生停泵水锤时进行数值模拟计算，其设计扬程为124 m，设计流量为0.5 m3/s，净扬程为117.9 m。其管线纵断图见图1。

图1 管线纵断图Fig.1 Pipeline profile

2 数学模型

2.1 水力过渡过程数学模型的建立

(1)水流在有压管道的运动方程和连续性方程[3]如下：

(1)

(2)

式中：H为水头，m；V为管内流速，m/s；a为水锤波传播速度，m/s；f为管道摩阻系数；g为重力加速度，m/s2；d为管道直径，m；α为管路与水平面间夹角；x为传播距离，m；t为时间，s。

(2)一般管道可忽略vsinα项，t作为自变量，V、H作为因变量，公式(1)、(2)经变换可得出水力过渡过程的正负特征线方程：

(3)

(4)

2.2 两阶段液控蝶阀防护时的边界条件

图2 液控蝶阀关闭过程示意图Fig.2 Hydraulic butterfly valve closed process diagram

(1)两阶段液控蝶阀关闭分两阶段完成，即快关阶段和慢关阶段。其关闭过程如图2所示，T1为快关时间，φ1为快关角度，T2为慢关时间，φ2为慢关角度[1]。两阶段液控蝶阀的关闭角度可通过下式计算：

(5)

(2)两阶段液控蝶阀防护时的水头损失平衡方程[4]如下。

两阶段液控蝶阀的水头损失为：

ΔH阀=CVQ2v|v|

(6)

安装蝶阀时，任意时刻的水头平衡方程为：

HP0=HP+HS-ΔH阀

(7)

式中：HP为任意时刻末的水泵扬程，m；HS为泵出口与进水池水位高程差，m；HP0为任意时刻末的管路起始断面处水头，m；ΔH阀为蝶阀的水头损失，m。

3 两阶段液控蝶阀防护工况下的停泵水锤计算

3.1 两阶段液控蝶阀防护下的停泵水锤计算

根据已获得的研究成果[5-10],本研究采用控制变量法来分析蝶阀的关闭时间和角度对长距离供水工程发生停泵水锤时压力管道及水泵各参数的影响。

(1)控制蝶阀的第二阶段关闭时间及两阶段关闭角度为定值，通过改变其第一阶段的关闭时间研究第一阶段关闭时间对各参数的影响。以第二阶段关闭时间T2=20 s，第一阶段关闭角度θ1=74°，第二阶段关闭角度θ2=16°为例，现拟定第一阶段关闭时间范围为T1=2.4～4.0 s，每间隔0.2 s进行一次数值模拟计算，计算结果见表1。

表1 不同关闭时间工况下的停泵水锤计算表(第一阶段)Tab.1 Pump water hammer calculation table underdifferent shutdown time

(2)控制蝶阀的第一阶段关闭时间及两阶段关闭角度为定值，通过改变其第二阶段的关闭时间以探究第二阶段关闭时间对水力过渡过程各参数的影响。本论文以第一阶段关闭时间T1=3 s，第一阶段关闭角度θ1=74°，第二阶段关闭角度θ2=16°为例，现拟定第二阶段关闭时间范围为T2=3～27 s，每间隔3 s 计算一次停泵水锤，计算结果见表2。

表2 不同关闭时间工况下的停泵水锤计算表(第二阶段)Tab.2 Pump water hammer calculation table underdifferent shutdown time

(3)控制液控蝶阀的一、二关闭时间为定值，通过改变其关闭角度分析探讨蝶阀关闭角度对停泵水锤的影响。本论文以第一阶段关闭时间T1=3 s，第二阶段关闭时间T2=15 s为例，现拟定第一阶段关闭角度的调节范围为66°～82°，角度间隔Δθ=2°，停泵水锤计算结果见表3。

表3 不同关闭角度工况下的停泵水锤计算表Tab.3 The pump water hammer calculation tableunder different closing angle

3.2 两阶段液控蝶阀关闭时间、角度对停泵水锤的影响分析

(1)根据表1的计算结果，在不同关闭时间下，绘制管路最大压力、最小压力、水泵最小转速随蝶阀关闭时间变化的曲线图，如图3所示。

图3 不同关闭时间工况下的停泵水锤计算结果图Fig.3 Calculated results of water hammer calculation at different shutdown time

由图3(a)和图3(b)可知，蝶阀第二阶段关闭时间、关闭角度一定时，①随着蝶阀第一阶段关闭时间的增大，压力管路的最大压力逐渐增大，成正比趋势；最小压力逐渐减小，成反比趋势。②水泵最小转速随着第一阶段关闭时间的增大逐渐降低，成反比趋势。

由图3(c)和图3(d)可知，蝶阀第一阶段关闭时间、关闭角度一定时，①第二阶段关闭时间在3～18 s范围时，管路最大、最小压力基本不变；在18～21 s之间，管路最大、最小压力变化较大，之后趋于平缓。②水泵最小转速随着第二阶段关闭时间的增大逐渐降低，由正转变为倒转。

(2)根据表3的计算结果，在不同关闭角度下，绘制管路最大压力、最小压力、水泵最小转速随蝶阀关闭角度变化的曲线图，如图4所示。

图4 不同关闭角度工况下的停泵水锤计算结果图Fig.4 The pump water hammer calculation results under different closing angle

由图4可知，蝶阀的第一、二阶段关闭时间一定时，①随着蝶阀第一阶段关闭角度的增大，压力管路的最大压力逐渐降低，成反比趋势，最小压力逐渐增大，成正比趋势。②水泵最小转速随着蝶阀第一阶段关闭角度的增大逐渐增大，由倒转变为正转，变化速率逐渐减小，最终稳定，这表明在合理范围内增大蝶阀第一阶段关闭角度，可以有效改善水泵倒转转速过大的情况。

4 结 语

(1)蝶阀两阶段关闭角度一定时，管路最大压力与蝶阀第一阶段关闭时间成正比，管路最小压力及水泵最小转速与蝶阀第一阶段关闭时间成反比，在长距离供水工程中，可以通过改变蝶阀的关闭时间调控停泵水锤发生时的管路及水泵各参数。

(2)蝶阀第二阶段关闭时间在一定关闭时间范围内对管道正负压影响较小，达到某一时间段时，管道正负压变化较大，之后又趋于平缓，而水泵最小转速则受第二阶段关闭时间影响较大。在选择防护水锤措施时，可以通过适当增大蝶阀第二阶段关闭时间改善管路正负压过大问题。

(3)液控蝶阀的两阶段关闭时间一定时，针对长距离供水工程中局部管路正、负压及水泵倒转转速不满足规范要求的问题，在合理范围内增大蝶阀第一阶段关闭角度可以有效减小管路最大正负压、降低水泵倒转转速，使其满足规范要求。

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参考文献：

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