以紹興市小舜江輸水工程為例,從水力振動(dòng)和防止水錘兩方面進(jìn)行考慮,研究了小開度停泵方式閥門最佳角度選擇,最終選擇符合實(shí)際的關(guān)閥角度。

1、工程概況

　　紹興市小舜江輸水工程由取水隧洞、提水泵站、出水隧洞、達(dá)郭調(diào)節(jié)水庫(kù)和輸水隧洞等幾部分組成，利用夜間低谷電能從湯浦水庫(kù)提水到調(diào)節(jié)水庫(kù)———達(dá)郭水庫(kù)，經(jīng)調(diào)蓄后，全天候連續(xù)向凈水廠提供原水。出水隧洞縱剖面參見圖1，出水隧洞出口位于達(dá)郭水庫(kù)，泵站共有4臺(tái)機(jī)組，其技術(shù)參數(shù)如下：水泵型號(hào)：YJG48-20I，設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hr：52.7m(1#、2#水泵、)、57.2m(3#水泵)、49.7m(4#水泵)，設(shè)計(jì)流量Qr：5.0m3/s(1#、2#、4#水泵)，5.3m3/s(3#水泵)，額定轉(zhuǎn)速Nr：500r/min，電機(jī)功率Pr：3500kW，水泵轉(zhuǎn)矩：Mn=5645kgf·m(1kgf=9.8N)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：GD2=3817kgf·m2。2用2備，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)管道阻力參數(shù)K=0.0236s2/m5。最大幾何揚(yáng)程58m，此時(shí)泵的工作揚(yáng)程為61m。

圖1 出水隧洞縱剖面(單位：m)

　　此類高揚(yáng)程抽水泵站事故停泵時(shí)易發(fā)生水錘，現(xiàn)階段最有效的解決辦法是采用二階段液控緩閉蝶閥降低水錘正壓，防止水泵倒轉(zhuǎn)。但往往會(huì)引起慢關(guān)(小角度)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、泵及閥門的劇烈水力振動(dòng)。本工程不應(yīng)忽略停機(jī)及關(guān)閥過程中劇烈的水力振動(dòng)，閥門開度選擇特別重要，過小沒有解決水力振動(dòng)，過大易引起水泵倒轉(zhuǎn)，影響泵的使用壽命，因此應(yīng)該綜合考慮水力振動(dòng)與水錘的因素。

2、水力振動(dòng)

　　水泵機(jī)組及閥門的振動(dòng)情況見表1，出口閥θ-ξ(開度-水頭損失系數(shù))關(guān)系見表2。

表1 實(shí)測(cè)振動(dòng)值情況分析

表2 出口閥θ-ξ關(guān)系

　　閥門90°為全開狀態(tài)，水泵機(jī)組最大允許振動(dòng)值≤0.045mm。以上數(shù)據(jù)表明10°以下振動(dòng)明顯加強(qiáng)，開度越小，振動(dòng)值增加越明顯。

　　從表2可知，閥門小于10°時(shí)水頭損失系數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)增加，局部水力損失加大。

　　綜合上述在出口閥關(guān)閉到大于10°時(shí)水泵停機(jī)，可大幅度降低泵及閥門的振動(dòng)值與水力損失。

3、水錘方面

　　水泵出口閥中間轉(zhuǎn)折開度為15°，液控蝶閥分別關(guān)至12°、15°、18°時(shí)水泵斷電的出口閥關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化選擇計(jì)算見表3。

表3 出口閥關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化選擇計(jì)算

　　注：湯浦水庫(kù)水位12m;達(dá)郭水庫(kù)水位70m。單臺(tái)水泵運(yùn)行，正常停機(jī)(3#)。空白處表示未發(fā)生反轉(zhuǎn)。

　　(1)經(jīng)計(jì)算兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，其中一臺(tái)水泵正常停機(jī)3#，其水泵出口最大內(nèi)壓和反轉(zhuǎn)速度都要小于表3所列的工況。

　　(2)由于水泵抽水揚(yáng)程越大，斷電后最大反轉(zhuǎn)速度上升值越大;湯浦水庫(kù)水位一定時(shí)，調(diào)節(jié)水庫(kù)水位越高，或調(diào)節(jié)水庫(kù)水位一定時(shí)，湯浦水庫(kù)水位越低，水泵斷電后輸水系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大內(nèi)水壓力值越大。因此，在小開度停泵計(jì)算中，選擇該進(jìn)、出口水庫(kù)水位組合情況下，為水泵出口閥關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化選擇計(jì)算的控制情況。

　　(3)考慮到出口閥關(guān)閉規(guī)律轉(zhuǎn)折點(diǎn)開度為15°時(shí)，閥門總有效關(guān)閉時(shí)間較短，且當(dāng)水泵斷電前，閥門在小開度區(qū)域運(yùn)行時(shí)間較短，水力振動(dòng)較小，因此，閥門轉(zhuǎn)折開度選定為15°。

　　(4)正常停機(jī)時(shí)最大內(nèi)壓控制值為80m，水泵不反轉(zhuǎn);事故停機(jī)時(shí)(兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)全失電)最大內(nèi)壓控制值為91m，水泵失電后的最大反轉(zhuǎn)速度均小于其額定轉(zhuǎn)速，不發(fā)生水泵葉輪飛逸破壞事故。

　　由表3可知，水泵在出口閥關(guān)至12°時(shí)斷電工況，水泵出口最大內(nèi)壓力較小，在控制值內(nèi)，而且水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)，對(duì)泵的使用壽命沒有影響，明顯優(yōu)于其他角度。最后選擇快關(guān)時(shí)間20s、總關(guān)閥時(shí)間45s，轉(zhuǎn)折點(diǎn)開度為15°兩段折線關(guān)閉規(guī)律，水泵機(jī)組在出口閥關(guān)閉至12°時(shí)水泵斷電停機(jī)，這樣可有效改善目前的水力振動(dòng)現(xiàn)象，又把在正常停機(jī)時(shí)最大內(nèi)壓與反轉(zhuǎn)速度控制到較小或不反轉(zhuǎn)，而在事故停機(jī)時(shí)最大內(nèi)壓與反轉(zhuǎn)速度滿足控制要求。在湯浦水庫(kù)水位12m，達(dá)郭水庫(kù)水位70情況，3#與2#兩臺(tái)泵全失電情況下，閥門在給定規(guī)律下關(guān)閉，水泵出口最大內(nèi)壓為90.8m，最大反轉(zhuǎn)速度-307r/min。

4、結(jié)語(yǔ)

　　類似工程可從水力振動(dòng)方面初步選定閥門開度范圍，后從液控蝶閥分別關(guān)至不同開度時(shí)水泵斷電的出口閥關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化選擇，最終選擇最符合實(shí)際的閥門開度。需要注意的是，正常停機(jī)與事故停機(jī)時(shí)控制值應(yīng)有所區(qū)別。