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高扬程、多起伏输水管线水锤防护的设计

作者:原创论文网 时间:2018-12-13 15:13 加入收藏

摘要

  Abstract:How long distance water conveyance project of increased year by year in our country in recent years, the high lift, many ups and downs of water pipeline water hammer protection is difficult to effectively solve the problem. In power plant, water supply pipeline water hammer protection for the whole power plant's normal power caused very big effect. In this paper, from the necessity of water hammer protection, water hammer analysis program algorithm and pumping station, the essay discusses the water hammer protection method of pipeline is proposed. Long distance water conveyance project, should make necessary analysis and calculation of water hammer and the piping system adopt comprehensive water hammer protection design, determine the water hammer protection measures.

  Keyword:coal-fired power plant;water supply pipeline;water hammer protection;

  水锤防护在长距离有压输水管路系统中分为泵站的水锤防护和管线的水锤防护, 水锤防护不仅要考虑到停泵水锤的防护, 也应考虑到起泵水锤的防护, 而水锤防护选取设备的具体性能分析见长距离大管径大流量输水管线水锤防护设备对比分析[1]。

高扬程、多起伏输水管线水锤防护的设计

  近年来我国长距离输水工程逐年增多, 其中尤以高扬程、多起伏的输水系统居多。如何对高扬程、多起伏的输水管线进行有效的水锤防护是设计人员急需解决的何题。

  1、工程概括

  江西分宜电厂扩建工程位于分宜县城东北面约17.5 km的坑口水库东面, 距离东南面的新余市约18 km, 与其西南面的分宜电厂老厂址相距约24.5km, 高速铁路及沪昆高速公路由厂址南面穿过, 分别与厂址相距9.5、11 km, 距离东面的蒙吉铁路约为1 km, 距离东面大广高速公路约为3 km, 南面为凤阳—双林公路北侧。电厂采用自然循环冷却塔二次循环冷却系统, 补给水源取自袁河, 取水口为易家取水口, 新建取水泵房。补给水取水泵房土建部分按本期2×660 MW机组一次建成, 泵房内设置3台定速卧式离心泵水泵, 2运1备。单台补给水泵运行参数:流量Q=1 500 m3/h, 扬程H=115 m, 功率N=700 kW。

  本期补给水管采取2根DN700 mm钢管。电厂本期补给水泵水量按3 000 m3/h考虑, 正常情况下, 2根管同时运行, 流速为1.08 m/s;当一根管道出现故障时, 另一根管要通过70%流量时, 流速为1.52m/s。

  2、水锤防护的必要性分析

  2.1、水锤的成因及分类

  在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换, 从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象, 称为水锤现象。这时, 液体 (水) 显示出它的惯性和可压缩性。水锤也称水击, 或称流体 (水力) 瞬变暂态过程, 它是流体的一种非恒定 (非稳定) 流动, 即液体运动中所有空间点处的一切运动要素 (流速、加速度、动水压强、切应力与密度等) 不仅随空间位置而变, 而且随时间而变。

  按关阀历时Ts与水锤相u的关系, 水锤方式可分为直接水锤和间接水锤;按水锤成因的外部条件, 水锤成因分为启动水锤、气动水锤、关阀水锤和停泵水锤;按水锤水力特性, 水锤理论分为刚性水柱 (锤) 理论和弹性水柱 (锤) 理论;按水锤波动的现象, 水锤现象分为水柱连续的水锤现象 (无水柱分离) 和伴有水柱分离的水锤现象 (断流空腔再弥合水锤) 。

  2.2、水锤的危害

  泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的, 其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区, 尤为突出。根据以前各地区次以上有记录的水锤事故调查可看出:泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂, 止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水, 造成暂时供水中断事故;重则酿成泵站被淹毁, 泵船沉没等严重事故。个别的, 还因泵站水锤事故, 造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害[2]。

  在农田灌溉泵站中, 常因扬程高、流量及功率较大, 故其水锤危害及影响毫不亚于给水工程系统, 人们还特别将泵站水锤危害列为泵站三害 (即水锤、泥沙、噪声) 之首。

  2.3、分宜电厂取水系统水锤

  分宜电厂取水系统包括取水泵站和补给水管线2部分, 无论从水泵规模 (功率) 还是管线规模 (长度) 来看, 在整个江西省内的电厂中都是首屈一指的, 表1中列出了江西省内部分电厂取水泵站及供水管路参数对比。

表1 江西省内电厂补给水泵及补给水管道参数对比
表1 江西省内电厂补给水泵及补给水管道参数对比

  在电厂中, 因为泵站内水锤造成泵站淹没, 电机损坏事故或者因为水锤造成沿线管路爆管供水中断, 都将对整个电厂的正常发电造成非常大的影响。

  3、水锤分析的程序算法

  本工程采用PIPENET软件进行水锤分析, 取水泵房水位按照97%枯水位62.11 m进行计算。有关计算所用参数如下。

  3.1、补给水泵特性数据

  在压力管道中因流速剧烈变化, 从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水利撞击现象称为水锤现象。水锤的大小与水锤波的波速成正比。在理论的情况下, 机械波 (此时即压力波) 在水中传递的速度为1 450 m/s。在实际当中, 该波速要小于理论值, 它与管道的弹性有关系, 管道弹性越强波速则越小。在钢管中一般为800~1 200 m/s, 在砼管中一般为600~800 m/s, 在塑料管中则为250~500m/s。管径越大, 波速则越慢。管壁越厚, 刚性越强, 波速就越快, 反之则波速越慢。

  补给水泵设置3台 (2用1备) , 采用卧式离心泵, 补给水泵进口标高59.20 m, 出口标高59.35 m, 相关参数见表2。

表2 补给水泵特性数据
表2 补给水泵特性数据

  3.2、电动机特性数据

  电动机特性数据见表3。

表3 电动机特性数据
表3 电动机特性数据

  3.3、管道特性数据

  管道特性数据见表4。

表4 管道特性数据
表4 管道特性数据

  3.4、阀门特性数据

  泵出口阀选用德国ADAMS液控蝶阀, 阀门阻力特性H=KV 2/2g (K为阀门全开时阻力系数, K=0.15) , 阀门各种开度的开度系数τ如表5所示。

表5 蝶阀不同开启角度的特性
表5 蝶阀不同开启角度的特性

  3.5、计算结果

  3.5.1、稳态下系统高低压包络线

  在水泵正常供水状态下 (稳态) 整个供水系统的压力包络线如图1所示, 横坐标为距离 (水泵出口处为0) , 纵坐标为压力值。

  3.5.2、瞬态无保护下系统高低压包络线

  整个供水系统在瞬态 (断电或关阀) 情况下的包络线如图2所示, 本图所示为在未采取相关保护措施下的状态, 比如没有增加防水锤阀, 空气阀等措施。

  3.5.3、瞬态无保护下水泵站压力波动过程曲线

  在突然断电或关阀的瞬态下 (未采取相关防护措施) , 水泵出水口处的压力波动随时间的关系如图3所示。

图1 稳态下系统高低压包络线
图1 稳态下系统高低压包络线

图2 瞬态无保护下系统高低压包络线
图2 瞬态无保护下系统高低压包络线

图3 瞬态无保护下水泵站压力波动工程曲线
图3 瞬态无保护下水泵站压力波动工程曲线

  3.5.4、瞬态有保护下系统高低压包络线

  在突然断电或关阀的瞬态下 (采取相关防护措施) , 整个供水系统高低压包络线见图4。横坐标为距离 (水泵出口处为0) , 纵坐标为压力值。

  3.5.5、瞬态有保护下水泵站压力波动过程曲线

  在突然断电或关阀的瞬态下 (采取相关防护措施, 增加水锤预防阀、空气阀等) , 水泵出水口处的压力波动随时间的关系见图5。

  突然停泵之后系统压力下降, 水泵站处约65 s时压力第1次升高, 并于约118 s时, 达到峰值, 继而压力下降, 第2次峰值于185 s时再次来到, 第3次来临时间约为240 s。系统呈现往复式的压力波动, 峰值高, 峰值有载波 (说明沿程有弥合水锤产生, 并产生影响) , 延时长, 必须进行防护:1) 将水锤产生的多余能量及时排出;2) 改变沿程高点的弥合时间, 使得几处高点弥合水锤的叠加不同步。

图4 瞬态有保护下系统高低压包络线
图4 瞬态有保护下系统高低压包络线

图5 瞬态有保护下水泵站压力波动过程曲线
图5 瞬态有保护下水泵站压力波动过程曲线

  机械波的传递是需要质点作为媒介的。各质点仅在它们各自的平衡位置附近振动, 并没有在波动传播方向流动或继续前进。即波动是运动状态的传播过程而不是运动质点的流动。水锤的约克夫斯基公式:ΔH=ΔVC/g (1) 式中:ΔH为压力升高值;ΔV为水流速度的变化率;C为水锤波的波速;g为重力加速度。

  公式 (1) 基本上解释了水锤, 即压力波, 产生的原因和影响其大小的因素。水流速度的突然变化, 即是产生水锤的根本原因。只要水的流速发生变化, 系统压力必然发生变化。本次计算的水锤波速为水锤分析软件经输入管线材质、壁厚等参数之后自动计算得出。根据上述的理论公式, 可以简洁地得到如下的结论:减缓水在系统中的流速变化, 降低机械波的传递速度。系统中因事故工况而产生的压力变化就会减弱, 水锤就可以得到控制。

  4、拟采用的水锤防护方法

  4.1、泵站防护

  高扬程、多起伏的长距离输水系统的水流动力均来自于水泵, 所以泵站防护是其中必不可少的一部分。泵站防护主要包括停泵水锤防护和启泵水锤防护。启泵水锤常在管道未充满水或停泵时水被放空的情况下非正常启、泵造成的。启泵水锤只要解决好管道的排气问题就可以有效的避免。泵站水锤防护的重点是停泵水锤。

  停泵水锤多发生在由于各种原因导致的水泵突然开阀停车。常见的水锤事故多属于停泵水锤事故。停泵水锤的防护主要包括防止水泵倒转和防止管道升压2个方面。

  高扬程、长压力管道的泵站, 工作阀门宜选用两阶段关闭的液压操作阀[3]。因此本工程采用的泵站内防水锤措施如下:

  1) 水泵出口设置液控止回蝶阀 (或液控止回软硬密封全通径半球阀, 具体招标时确定) , 采用两阶段关闭, 有效防止停泵水锤。阀门规格为DN600 mm, PN1.6 MPa。

  2) 在水泵出水母管上设置水锤预防阀2个, 阀门规格为DN300 mm, PN1.6 MPa。

  水锤预防阀是一种主动预防型水锤防护设备, 它是将智能控制系统和一个水里控制主阀结合在一起, 用于水泵输水系统, 通过感应水锤前兆或引起水锤的起因条件 (突然降压或突然断电或二者相伴) 提前开启泄水消除水锤并维持开启, 最大限度地保护系统免受水锤和水锤的危害。

  4.2、管线防护

  高扬程、多起伏管线的防护是水锤防护中最复杂的由于停泵水锤发生后, 在水泵端首先产生负压波, 负压波向管线末端传递, 当某一点处管道的压力低于水的汽化压力时[5], 连续的水就会在此处发生拉断, 负压波在管线末端以正压波反传, 在断流处两水柱将发生撞击弥合。因此, 管线防护的重点将是断流水锤防护。

  距离超过10 km的管渠输水方式可以认为是长距离输水工程, 应进行必要的水锤分析计算, 并对管路系统采取水锤综合防护设计, 根据管道纵向布置、管径、设计水量、功能要求, 确定水锤的防护措施[4]。

  本工程根据程序计算结果并结合规范《城镇供水长距离输水管 (渠) 道工程技术规程》CECS193:2005的有关规定, 在供水管线上采取如下水锤防护措施:

  1) 在管线上每隔1 km左右设置复合式排气阀, 排气阀规格DN80 mm, PN1.6 MPa。

  2) 在管线局部高点设置防水锤型空气阀, 阀门规格DN80 mm, PN1.6 MPa。具体设置位置以最终的水锤计算结果确定的位置为准。

  5、结束语

  水锤防护在有压输水管路系统中主要有泵站的水锤防护和管线的水锤防护, 对于长距离输水工程, 应进行必要的水锤分析计算, 并对管路系统采取水锤综合防护设计, 根据管道纵向布置、管径、设计水量、功能要求, 确定水锤防护措施。对所选取防水锤设备的发挥其应有的最大性能。

  本工程通过严谨细致的计算, 采取综合性的水锤防护措施, 以及安全可靠的水锤防护设备, 保证了取水系统的安全可靠运行, 最终实现了电厂的经济效益。

  参考文献
  [1]薛杰军.长距离输水泵站水锤计算有关问题的探讨[J].陕西水利水电技术, 2007 (2) :22-25.
  [2]吕兵霞.堡里扬水站输水管路水锤计算及防护措施[J].太原科技, 2008 (7) :82-83
  [3]住房和城乡建设部, 国家质量监督检验检疫总局.泵站设计规范:GB 50265—2010[S].北京:中国计划出版社, 2011.
  [4]张玉先.给水工程[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
  [5]刘光临, 蒋劲, 沈正.火电厂供水系统水泵启动水锤分析[J].华中理工大学学报, 1999 (6) :24-26.

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