污水泵站水錘計(jì)算與緩閉止回閥的應(yīng)用
1 工程概況
寧波北侖4#污水泵站位于松花江路與明州路交叉口附近，此泵站在規(guī)劃中的作用是：巖河以西污水系統(tǒng)中通往污水處理廠的一個(gè)中間泵站。但目前位于巖河以西區(qū)域的高塘工業(yè)區(qū)招商引資速度很快，特別是麥芽公司的投產(chǎn)，要求巖河以西排污工程盡快實(shí)施。故將4#污水泵站作為排海泵站來滿足高塘工業(yè)區(qū)的排污要求。本輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于確定管道、混合室的設(shè)計(jì)壓力，而此壓力則最終取決于水錘壓力。
2 設(shè)計(jì)概況
該工程的設(shè)計(jì)與施工分成兩個(gè)部分，即：北侖4#污水泵站、4#泵站排海壓力管工程。泵站裝機(jī)6臺(tái)：H=201.88kPa，Q=1660m3/h(4用2備)，目前裝機(jī)3臺(tái)(2用1備)。
地下式泵房，壓力管全長為4060m，DN10000，大泵出口段管徑為DN500。
由于壓力管沿途要過河、已建路、海堤等，設(shè)有虹吸、倒虹吸段，故屬于水泵揚(yáng)程大、輸水管線長、高程變化大的輸水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中極易發(fā)生水錘，而該工程又屬于泵站與壓力管線分開設(shè)計(jì)，故沒有進(jìn)行水錘計(jì)算。但從泵站運(yùn)行安全、維修方便角度出發(fā)，在泵出口設(shè)置了緩閉止回閥，在泵站出口設(shè)置了調(diào)壓井，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的水錘壓力，降低整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，以節(jié)約土建、設(shè)備投資，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。高程關(guān)系詳見下圖。
 管線高程變化示意圖 |
3 水錘計(jì)算
3.1 水錘類型判別
μτ0=aυ0τ0/(2gH0)
式中 μ——水管特性常數(shù)，μ＝aυ0/2gH0
υ0——閥門全開啟時(shí)的管道流速，m/s
a——介質(zhì)的水錘波速(介質(zhì)為水時(shí)，取a=1000 m/s)
H0——上、下游水頭差或水泵揚(yáng)程，kPa
τ0——無量綱閥門開度(τ0為起始開度)
閥門全開時(shí)，τ0=1.0，每臺(tái)水泵流量Q=1 660m3/h、揚(yáng)程H=201.88 kPa。
因?yàn)樽畈焕r為2臺(tái)水泵同時(shí)斷電(目前泵站裝機(jī)3臺(tái),為2用1備)，屆時(shí)管內(nèi)流速v0＝1.174 2 m/s。當(dāng)上、下游水頭差H0=88.10 kPa，則μ=6.657，μτ0＝6.657＞1，屬極限水錘。當(dāng)H0=201.88kPa(水泵揚(yáng)程)，則μ=2.905，μτ0＝2.905＞1，屬極限水錘。
3.2 水錘計(jì)算
采用下列公式：
Hmax＝(1+hm)H0
式中 Hmax——最大水錘壓力，kPa
hm——最大水錘壓力相對(duì)值
對(duì)于極限水錘，hm＝σ／2+［(σ+（σ2+4)1/2］
式中 σ——水管特性常數(shù)，σ＝Lv0gH0Ts
L——管道長度，L=4 160 m
Ts——閥門關(guān)閉時(shí)間，s
水錘計(jì)算結(jié)果見下表。
水錘計(jì)算表
| 水頭 | 關(guān)閉時(shí)間 | |||||
| Ts＝10s | Ts＝20s | Ts＝30s | Ts＝40s | Ts＝50s | Ts＝60 s | |
| H0＝88.10 kPa | σ=4160×1.1742/(9.81×8.99×10) | σ＝2.769 | σ＝1.846 | σ＝1.385 | σ＝1.108 | σ＝0.923 |
| =5.539 | hm＝8.56 | hm＝4.22 | hm＝2.64 | hm＝1.88 | hm＝1.44 | |
| hm=5.539(5.539+(5.5392+4)0.5)/2 | Hmax＝842.21 kPa | Hmax＝459.91 kPa | Hmax＝320.65 kPa | Hmax＝253.72 kPa | Hmax＝215.01 kPa | |
| =31.65 | ||||||
| Hmax=(1+31.65)×88.10=2876.46kPa | ||||||
| H0＝201.88 kPa | σ＝2.417 | σ＝1.209 | σ＝0.805 | σ＝0.604 | σ＝0.483 | σ＝0.40 |
| hm＝6.71 | hm＝2.14 | hm＝1.19 | hm＝0.81 | hm＝0.61 | hm＝0.49 | |
| Hmax＝1556.53 kPa | Hmax＝633.86 kPa | Hmax＝442.07 kPa | Hmax＝365.44 kPa | Hmax＝325.06 kPa | Hmax＝300.76 kPa | |
3.3 計(jì)算結(jié)果分析
北侖4#污水泵站采用的HH44X—10型緩閉閥的工作原理如下：
在進(jìn)口端介質(zhì)壓力作用下，閥瓣自動(dòng)開啟到位，同時(shí)，液壓缸內(nèi)活塞上升到最高位置，閥門開啟。當(dāng)停泵或介質(zhì)停止流動(dòng)時(shí)，閥瓣在自重和回水壓力下，首先迅速關(guān)閉到緩閉角位置，然后再慢關(guān)到全閉位置，以達(dá)到既停止介質(zhì)大量倒流，又防止水錘升壓的目的。
另外，可旋轉(zhuǎn)緩閉調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)緩閉時(shí)間長短（即可調(diào)節(jié)Ts），順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)緩閉時(shí)間延長，逆時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)緩閉時(shí)間縮短。
主要性能參數(shù)：
公稱壓力：1 MPa
介質(zhì)流速：≤5 m/s
緩閉角：16°
進(jìn)行系統(tǒng)的水錘計(jì)算，目的就是找到合適的關(guān)閉規(guī)律，確定閥門關(guān)閉時(shí)間(Ts)，從而確定土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，確定管道設(shè)計(jì)的工作、試驗(yàn)壓力等級(jí)，確定調(diào)壓井的高度等。
通過水錘計(jì)算表可以看出：無論上、下游水頭差，還是水泵機(jī)組的揚(yáng)程，只當(dāng)Ts≥40 s時(shí)，即閥門從全開到全關(guān)要用40 s時(shí)，管道中的水錘值分別小于320.65 kPa、365.44 kPa。
根據(jù)水錘計(jì)算結(jié)果，揚(yáng)程H=201.88 kPa、關(guān)閉時(shí)間Ts=40 s時(shí)的水錘壓力值應(yīng)選擇較大值，據(jù)此確定4#泵站排海壓力管工程的設(shè)計(jì)管道及混凝土結(jié)構(gòu)的混合室內(nèi)部工作壓力為392.0 kPa，試驗(yàn)壓力為588.00 kPa，從而確定管材為：泵站出口段、管橋段采用14 mm厚鋼管，壓力管末梢段采用承插接口的預(yù)應(yīng)力混凝土管。
4 結(jié)論
①4#泵站調(diào)試期間,建議3臺(tái)機(jī)組上安裝的緩閉閥關(guān)閉時(shí)間確定為Ts≥40 s。
、谡＿\(yùn)行期間，禁止2臺(tái)機(jī)組同時(shí)停機(jī)。
、哿硗,關(guān)于止回閥的選擇,應(yīng)注意其關(guān)閉規(guī)律,最好為二段關(guān)閉:第一段在較短時(shí)間內(nèi)閥瓣關(guān)到小開度(本工程選用16°),然后緩閉其余開度。
系統(tǒng)運(yùn)行6年來，一直平穩(wěn)正常。
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