泵站水锤计算与缓闭止回阀关闭时间的确定
2011-08-13陈志坚
陈志坚
(深圳市龙岗区龙口水库管理处,广东深圳518172)
龙口水库抽水站位于深圳市龙岗区横岗镇排榜村,距离龙口水库管理处办公楼约4 km,取水口位于东深供水隧洞一号支洞。抽水站现装有卧式32SA-10C型水泵机组3台,单机容量1 250 kW,正常运行为两用一备,设计提水流量为2.50 m3/s,正常运行日提水量21万m3。龙口水库属小(1)型水库,总库容994万m3,主要水利枢纽由抽水站、南库、北库、连通渠、大坝、副坝组成。主要任务是调节东深引水,保证深圳市龙岗区供水。水库流域面积1.93 km2,水库辖管面积2.7 km2。泵站装机数为3台。水泵扬程H0=62 m,Q为7 000 m3/h。改造后最大工况为3台投入使用。泵站属地下式泵房,压力管全长为667.05 m。主泵出口段管径为DN800。由于压力管道沿途要经过公路,大坝设有虹吸、倒虹吸,排气管口等故属于水泵扬程大,高程变化大的输水系统。这种系统在实际运行中极易发生水锤。该泵站没有设置调压井,从泵站安全运行及维修角度出发在泵口出水处设置了缓闭止回阀,以降低水锤对整个系统的压力,可见缓闭止回阀在整个泵站安全运行中的重要性。而设置缓闭阀的关闭时间也就成为泵站安全运行的重中之重。最低水位▼27.55 m高程关系详见图1。
图1 管线高程变化示意图
1 水锤计算
式中:μ为水管特性常数,μ=аV0/2gH。;v0为阀门全开启时管道流流速,m/s;а为介质的水锤波速(介质为水时,取а=1 000 m/s);H0为上下游水头差或水泵扬程,kPa;τ0为无量纲阀门开度(τ0为起始开度)。
阀门全开时,τ=1.0,每台水泵流量 Q=7 000 m3/h,扬程Hо=607.6 kPa。所以最不利工况为3台水泵同时断电(改造后3台机组同时运行)届时管内流流速ν0=3.86 m/s。当上下游水头差 H=440.51 kPa,则 μ=4.377,μτ0=4.377>1.5,属极限水锤。当 H0=607.6 kPa(水泵扬程),则 μ=3.173,μτ0=3.173 >1.5,属极限水锤。
水锤计算公式为:
式中:Hmax为最大水锤压力,kPa;Hm为最大水锤压力相对值。
对于极限水锤计算公式为:
式中:σ为水管特性常数。σ=LV0/gH0Ts;L为管道长度,L=667.05 m;Ts为阀门关闭时间,s。
计算成果见表1。
表1 水锤计算表
假设事故突然停泵,管内液体在t=0内停止流动。管路中的总压力h按下式计算。
式中:V1为正常运行时管中水流速度,m/s;V2为阀门关闭后管中水流流速度,m/s;g为重力加速度;c为管路中的衡击波传播速度。弹性薄壁钢管约以1 000 m/s的速度传播。
2 钢管的强度校验
泵出口钢管选用A3钢,即:
式中:p为管内压力,取最大值p=4.3MPa;D为管内直径,D=0.8 m;δ为管壁厚度,出口管壁δ=10 mm。
由第三强度公式pD/2δ≤﹝σ﹞得:
第四强度公式pD/2.3δ≤﹝σ﹞得:
而泵出口管壁δ=10mm>8.6mm
可见第三,第四强度公式计算证明在最大水锤压力作用下,泵站出水钢管可以承受最大直接水击压力。
3 设置缓闭止回阀
龙口泵站采用的HD7s41X-10型缓闭阀的工作原理如下。在进口端介质作用下,阀瓣自动开启到位,同时液压缸内活塞上升到最高位置阀门开启。当停泵液压缸内介质回流,阀瓣在自重和水压力下首先迅速关闭到缓闭角位置,然后再慢关到全闭位置,以达到既停止介质大量倒流又防止水锤升高的目的。另外可旋转缓闭调节阀来调节缓闭时间长短(即可调节Ts),顺时针调节缓闭时间延长,逆时针调节缓闭时间缩短。
主要性能包括:公称压力为1 MPa;介质流速为≤5 m/s;缓闭角为30°。
进行系统的水锤计算,目的就是找到合适的关闭规律,确定关闭时间(Ts),从而确定水锤对泵站的振动。而关缓闭止回阀的关闭时间从表1中可以看到产生的水锤都在安全压力值范围内。10 s时间段产生水水锤较大且不在阀门时间调节范围内故不考虑,在10~60 s时间段范围内应取压力值相差不大,关闭时间又较短的。
4 结论
1)建议3台机组安装缓闭阀关闭时间确定为10 s<Ts≤20 s。
2)正常运行期间,禁止2台以上机组同时停机。
3)另外,关于止回阀的选择要注意关闭规分律,最好为二段关闭:第一段在短时间内阀瓣关到最小开度(本站选用30°),然后缓闭其余开度。
本站Ts约为14 s,运行10 a来一直平稳正常。
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