轴流式止回阀在长距离高扬程输水泵站工程中的水锤防护研究

2023-07-20孙江河

中国农村水利水电 2023年7期

范征，孙江河

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

在长距离高扬程泵站输水工程中，由水泵的突然停机引起的系统压力波动严重威胁泵站的安全稳定运行。一般，在泵站工程中水泵出口装设可两阶段关闭的止回阀及管路沿线装设防水锤空气阀，用于防护事故停泵产生的管线负压及水泵的倒流倒转［1-6］。同时，在泵后配套设置超压泄压阀或压力波动预止阀对关阀高压水锤进行防护［7-10］。轴流式止回阀因其流阻小、回流响应迅速、防水击压力等特点，作为止回装置广泛应用于油气等管道工程中。王飞等［11］对轴流式止回阀进行了流场计算分析；张希恒等［12］对轴流式止回阀的阀瓣运动状态进行了理论分析。蒋劲等［13］提出节制回流阀作为辅助水锤防护措施，可减缓水锤压力升高；黄昕珂等［14］针对水泵出口装设轴流式止回阀用于水锤防护进行了研究。本文结合某长距离输水泵站工程，将轴流式止回阀应用于工程沿线，对其在系统事故停泵中水锤防护效果进行研究。

1 瞬变流基本方程及水锤计算方法

1.1 瞬变流的特征方程

瞬变流的基本方程由描述其运动特征的运动方程和连续性方程组成的一组双曲线偏微分方程，可通过采用求解方程特征值的方法对方程进行求解，根据特征值将偏微分方程改写为常微分方程，即为特征线方程：

式中：g为当地重力加速度；a为压力波传播速度；H为管道瞬态压力水头；t为瞬态时间；v为管道瞬态速度；f为管道摩阻系数；D为管道直径；x为沿管轴线距离。

通过对基本方程有限差分近似，运用于水锤计算方法中，经简化后得到用于数值计算的差分方程，关于简化方法已有很多研究［2-8］，此次不再赘述。

1.2 水柱分离数学模型

水柱分离数学模型是假定在发生水柱分离管道节点的截面上，其蒸汽压力等于液体的液化压力，水柱再弥合后不残留汽泡，且在瞬变期间波速为常数。基于以上模型假定，当判定发生水柱分离后，结合质量守恒原理得到该截面计算水柱分离i点的参量方程为：

式中：Zi为i节点截面顶点至基准面的几何高度；HB为大气压液柱高度；Hv为汽化压力的液柱高度；Hpi为i点的计算瞬态压力头；Qpvi、Qvi分别为时段初和时段末汽穴的流入流量；Qpi、Qi分别为时段初和时段末汽穴的流出流量；Δt为计算时段；Cm、Cn、Ca表示同上。

当水柱再弥合时，瞬态参量计算方程为：

1.3 轴流式止回阀边界条件

轴流式止回阀边界条件模型可由图1简化表示。

图1 轴流式止回阀边界符号Fig.1 Boundary symbol for axial flow check valves

分别对与阀连接的管段建立其边界点特征线方程，同时结合流体连续性、水头平衡及阀门水头损失计算方程，写出如下边界条件：

式中：QPi，n+1、QPi+1，1分别为阀门进、出口流量；HPi，n+1、HPi+1，1分别为阀门进、出口瞬态压力水头；ΔHvp为阀门水头损失；Qw、ΔHw分别为初始流量和相应的阀门水头损失，，Aw为阀门面积，Cw为阀门全开时流量系数，τ为阀门相对开度。

在已知轴流式止回阀开度条件下，阀门边界条件为含5 个变量的五个方程，由式（5）即可求出所有五个未知量。

2 工程实例

2.1 工程概况

某泵站工程如图2 所示，系统设计净扬程199 m，设计总扬程239 m，泵站设计流量0.44 m3∕s。水泵采用卧式多级中开离心泵，单泵设计流量0.22 m3∕s，共3 台（2 用1 备），水泵出水管径DN350，汇总管径DN700。系统总长约26.9 km，末端接入高位水池。

图2 工程输水系统走势图Fig.2 The water conveyance system schematic diagram

2.2 事故停泵无防护水锤计算

图3 为机组事故停泵无防护措施工况下管线水力坡度线。由图3结果可得，在事故停泵无水锤防护工况下，管路沿线负压严重，且多处出现汽化，水泵倒流倒转严重，如图4为流量、转速相对其额定参数的比值变化曲线。

图3 无防护措施工况下管线水力坡度线Fig.3 Hydraulic slope of pipeline under no protective measures

图4 水泵相对流量及转速-时间曲线Fig.4 Pump relative flow rate and rotational speed - time curve

2.3 事故停泵装设防水锤空气阀、超压泄压阀水锤计算

根据上节计算分析结果，结合工程中常用的水锤防护措施，在管路沿线必要位置装设防水锤空气阀，用于防护管线负压。在水泵出口设两阶段关闭控制阀，以降低水泵倒流倒转。在水泵出口汇总管处设超压泄压阀，以防护高压水锤。参考空气阀布设原则，在管路沿线布设共40 处DN100 防水锤空气阀；泵出口控制阀两阶段关闭规律为：0（停泵时刻）～2 s 关闭85%，2～25 s 关闭100%；超压泄压阀整定压力3.00 MPa。经计算分析，事故停泵工况下，采取上述水锤防护措施后，水泵倒流倒转现象明显减弱（图6），管线最大压力水头为327.7 m，出现在管线最低点处，管路沿线的部分关键位置最小压力水头被控制在-5 m以内，如图5所示。

图5 装设防水锤空气阀、超压泄压阀措施工况下管线水力坡度线Fig.5 Hydraulic slope of pipeline under air valve and overpressure relief valve

图6 水泵相对流量及转速-时间曲线Fig.6 Pump relative flow rate and rotational speed - time curve

2.4 事故停泵装设防水锤空气阀、超压泄压阀、轴流式止回阀水锤计算

采用防水锤空气阀、超压泄压阀的水锤防护措施后，管线高压水锤得到较好改善；在防护负压方面，虽然部分位置装设防水锤空气阀后，负压有所缓解，但其他未设空气阀部位，尤其管线中后段，负压依然非常严重，甚至出现汽化产生断流弥合高压水锤，严重影响系统安全运行。

轴流式止回阀由于其特殊的环形过流结构，介质过流均匀且流阻小，阀门的动作状态与阀瓣前后压差及阀瓣后的弹簧力相关。当介质流速降低至弹簧力以下后，阀瓣开始关闭，当介质流速接近0 m∕s 时轴流式止回阀完全关闭。基于轴流式止回阀动作原理，参考有关止回阀的研究［7］，发现止回阀一般选择在管道负压较大且有断流弥合高压水锤的位置安装，且使用具有第二阶段缓闭功能的止回阀，防护效果更佳。结合本工程实际及上节水锤计算结果，初步选定轴流式止回阀安装位置为桩号11+962 m 处。根据2.3 节中成果测算，桩号11+962 处的回流时刻为17 s（停泵时刻起计），结合止回阀生产厂家技术能力（1 s能够速关相对开度的90%，此后缓闭时间可调），则设置该点轴流式止回阀关阀规律为自停泵时刻起17～18 s 关90%，18～78 s关100%。

由表1 计算成果可知，在管路桩号11+962 装设1 处轴流式止回阀，事故停泵后，泵后最大压力水头为298.8 m，桩号0～16+500内管线最大压力水头301.5 m，最小压力水头-5.2 m。通过同工况下与沿线不装设轴流式止回阀方案对比得出，沿线装设轴流式止回阀能够很好的降低管线最大压力值，对止回阀前后管段的负压防护也效果明显。

表1 不同装设轴流式止回阀方案下管线特征压力比较mTab.1 Comparison of pipeline characteristic pressure under different axial flow check valve installation schemes

2.5 装设轴流式止回阀的水锤防护分析

由上节计算分析可知，在合适的管线位置装设轴流式止回阀能够起到水锤防护作用。通过对该点在无任何防护措施工况及装设轴流式止回阀工况下压力曲线对比可知（图7），该点在无防护工况下产生高压弥合水锤明显［图7（a）］。由此，根据桩号11+962位置处管线走向布置特点，结合无防护停泵工况下管线压力极值，经多次试算，分析判断桩号20+001 为1 处轴流式止回阀装设点。该点的无防护工况及装设轴流式止回阀工况下压力曲线对比如图8，在无防护工况下依然存在高压弥合水锤［图8（a）］。由上节轴流式止回阀关闭规律设置方法，判断桩号20+001 处的回流时刻为47s（停泵时刻起计），则设置该点轴流式止回阀关阀规律为自停泵时刻起47～48 s 关90%，48～108 s 关100%。经计算，在桩号20+001 处装设轴流式止回阀后，与沿线不装设止回阀工况对比管线各段最大压力均有所下降，同时负压有所缓解。

图7 桩号11+962处无防护及装设轴流式止回阀工况压力-时间曲线对比Fig7 Comparison of pressure-time curve under no protective measures and installed axial flow check valve at pile No.11+962

图8 桩号20+001处无防护及装设轴流式止回阀工况压力-时间曲线对比Fig.8 Comparison of pressure-time curve under no protective measures and installed axial flow check valve at pile No.20+001

根据以上成果，进一步对在管线桩号11+962、20+001 同时装设轴流式止回阀工况，以及泵出口额外装设轴流式止回阀工况进行事故停泵数值模拟。由表1 计算结果可知，在装设2 处轴流式止回阀工况下，管线各段最大压力降低明显，负压得到很好控制，如图9 所示为装设2 处轴流式止回阀工况下管线水力坡度线。分析原因，从计算结果看，事故停泵装设防水锤空气阀（不设止回阀）工况下停泵后产生的首个降压波由于沿线布设空气阀的原因已得到基本控制，但此后水锤波在管道中传递、互相叠加产生更为严重的负压汽化问题，装设轴流式止回阀后，由于其特殊的关阀原理及缓闭功能，能够既较好地控制关阀水锤，又起到分割管道、增加管路阻抗的作用，使装设轴流式止回阀后控制管路次生水锤效果更明显。另外，装设3 处轴流式止回阀工况下，管线的高压水锤又得到进一步控制。通过计算成果说明，在本工程中沿线装设轴流式止回阀，同时再配合空气阀及超压泄压阀等防护措施下，能够有效防护水锤问题。