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污水泵站水锤盘算与缓闭止回阀的利用

摘要： 在污水泵站的系统与功效已断定的情况下，对最不利运行工况——两台泵同时停泵时产生的水锤波进行了盘算，并依盘算成果断定缓闭止回阀的封闭时间及管道、混凝土构筑物的设计强度。　
关键词： 污水泵站 水锤盘算 缓闭止回阀

中图分类号：TU992.25
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)08-0048-02

1　工程概况

　　宁波北仑4#污水泵站位于松花江路与明州路交叉口四周，此泵站在计划中的作用是：岩河以西污水系统中通往污水处理厂的一个中间泵站。但目前位于岩河以西区域的高塘产业区招商引资速度很快，特别是麦芽公司的投产，请求岩河以西排污工程尽快实行。故将4#污水泵站作为排海泵站来满足高塘产业区的排污请求。本输水系统的设计难点在于断定管道、混杂室的设计压力，而此压力则终极取决于水锤压力。
2　设计概况
　　该工程的设计与施工分成两个部分，即：北仑4#污水泵站、4#泵站排海压力管工程。泵站装机6台：H=201.88kPa，Q=1660m3/h(4用2备)，目前装机3台(2用1备)。
　　地下式泵房，压力管全长为4060m，DN10000，大泵出口段管径为DN500。
　　由于压力管沿途要过河、已建路、海堤等，设有虹吸、倒虹吸段，故属于水泵扬程大、输水管线长、高程变更大的输水系统。这种系统在实际运行中极易产生水锤，而该工程又属于泵站与压力管线离开设计，故没有进行水锤盘算。但从泵站运行安全、维修方便角度出发，在泵出口设置了缓闭止回阀，在泵站出口设置了调压井，从而下降全部系统的水锤压力，下降全部系统的设计压力，以节俭土建、设备投资，提高系统运行的安全性。
3　水锤盘算

3.1　水锤类型判别

　　μτ0=aυ0τ0/(2gH0)
　　式中　μ——水管特征常数，μ＝aυ0/2gH0
　　　　　υ0——阀门全开启时的管道流速，m/s
　　　　　a——介质的水锤波速(介质为水时，取a=1000 m/s)
　　　　　H0——上、下游水头差或水泵扬程，kPa
　　　　　τ0——无量纲阀门开度(τ0为起始开度)
　　阀门全开时，τ0=1.0，每台水泵流量Q=1 660m3/h、扬程H=201.88 kPa。
　　由于最不利工况为2台水泵同时断电(目前泵站装机3台,为2用1备)，届时管内流速v0＝1.174 2 m/s。当上、下游水头差H0=88.10 kPa，则μ=6.657，μτ0＝6.657＞1，属极限水锤。当H0=201.88kPa(水泵扬程)，则μ=2.905，μτ0＝2.905＞1，属极限水锤。
3.2　水锤盘算
　　采用下列公式：
　　　　　Hmax＝(1+hm)H0
　　式中　Hmax——最大水锤压力，kPa
　　　　　hm——最大水锤压力相对值
　　对于极限水锤，hm＝σ／2+［(σ+（σ2+4)1/2］
　　式中　σ——水管特征常数，σ＝Lv0gH0Ts
　　　　　L——管道长度，L=4 160 m
　　　　　Ts——阀门封闭时间，s
　　水锤盘算成果见表1。

表1　 水锤盘算表　　
　　　水头　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　封闭时间
　　　　　　　　　Ts＝10s　　　　　Ts＝20s　　　Ts＝30s　　Ts＝40s　　Ts＝50s　　Ts＝60 s
H0＝88.10 kPa　　σ=4160×1.1742　　σ＝2.769　　　σ＝1.846　σ＝1.385　　σ＝1.108　　σ＝0.923
　　　　　　　　/(9.81×8.99×10)　hm＝8.56　　hm＝4.22　　hm＝2.64　　hm＝1.88　　hm＝1.44
　　　　　　　　=5.539
　　　　　　　　hm=5.539(5.539+　　Hmax＝842.21　Hmax＝459.　Hmax＝320.　Hmax＝253.72 Hmax＝215.01
　　　　　　　(5.5392+4)0.5)/2　　　　　kPa　　91 kPa　　　　　65kPa　　　kPa　　　　　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 Hmax＝442.07 Hmax＝365.44Hmax＝325.06 Hmax＝300.76
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　kPa　　　　　kPa　　　　　kPa　　　　kPa　　　　　　kPa
3.3　盘算成果分析
　　北仑4#污水泵站采用的HH44X—10型缓闭阀的工作原理如下：
　　在进口端介质压力作用下，阀瓣主动开启到位，同时，液压缸内活塞上升到最高地位，阀门开启。当停泵或介质结束运动时，阀瓣在自重和回水压力下，首先敏捷封闭到缓闭角地位，然后再慢关到全闭地位，以达到既结束介质大批倒流，又防止水锤升压的目标。
　　另外，可旋转缓闭调节阀来调节缓闭时间是非（即可调节Ts），顺时针调节时缓闭时间延伸，逆时针调节时缓闭时间缩短。
　　重要性能参数：
　　　　　公称压力：1 MPa
　　　　　介质流速：≤5 m/s
　　　　　缓闭角：16°
　　进行系统的水锤盘算，目标就是找到合适的封闭规律，断定阀门封闭时间(Ts)，从而断定土建结构设计强度，断定管道设计的工作、实验压力等级，断定调压井的高度等。
　　通过水锤盘算表可以看出：无论上、下游水头差，还是水泵机组的扬程，只当Ts≥40 s时，即阀门从全开到全关要用40 s时，管道中的水锤值分辨小于320.65 kPa、365.44 kPa。
　　根据水锤盘算成果，扬程H=201.88 kPa、封闭时间Ts=40 s时的水锤压力值应选择较大值，据此断定4#泵站排海压力管工程的设计管道及混凝土结构的混杂室内部工作压力为392.0 kPa，实验压力为588.00 kPa，从而断定管材为：泵站出口段、管桥段采用14 mm厚钢管，压力管末梢段采用承插接口的预应力混凝土管。

4　结论

　　①4#泵站调试期间,建议3台机组上安装的缓闭阀封闭时间断定为Ts≥40 s。
　　②正常运行期间，禁止2台机组同时停机。
　　③另外,关于止回阀的选择,应留心其封闭规律,最好为二段封闭:第一段在较短时间内阀瓣关到小开度(本工程选用16°),然后缓闭其余开度。
　　系统运行6年来，一直安稳正常。