鄧志光 楊遠(yuǎn)東
中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究院

　　內(nèi)容提要：本文采用計(jì)算機(jī)模擬北方某城市取水工程的停泵水錘工作情況。并根據(jù)模擬結(jié)果，提出了泵房和輸水管線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題以及停泵水錘的防護(hù)措施。

1. 取水工程基本情況

　　北方某市引黃工程取水泵房設(shè)計(jì)建設(shè)于黃河岸邊，一期設(shè)計(jì)最大取水流量3.36m³/s（兩大一小三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行）。 原水輸水管道總長度為2731.07m，分別為DN1600鋼管（L=640m）和球墨鑄鐵管（L=2091.07m），起點(diǎn)(吸水井最低水位500.0m)與終點(diǎn)（穩(wěn)壓井堰上水位587.3m）的最大幾何高差為87.3m。整個(gè)輸水管線縱坡從泵房至水廠呈較為均勻的上升，平均坡度為2.76%，其中在0+640號(hào)和2+140號(hào)樁的縱坡有一定的變化；在平面走向方面，有三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其Gy1、Gy2和Gy3的轉(zhuǎn)折角度分別為153°、118°和134°。
　　該取水泵房（一期）設(shè)計(jì)配備四臺(tái)水泵，具體參數(shù)如下表所示：

設(shè)備

機(jī)組

水泵 電機(jī) 備注 型 號(hào) Q（m³/s） H（m） n（r/min） 型號(hào) P（Kw） n（r/min） 大同步 S1-500.800C 1.23 93 985 TTK1600-6 1600 1000 一臺(tái) 小同步 S1-500.800C 0.9 93 985 TTK1250-6 1250 1000 一臺(tái) 大異步 S1-500.800C 1.23 93 985 YYK630-6 1600 1000 一臺(tái) 小異步 S1-500.800C 0.9 93 985 YYK630-6 1250 1000 一臺(tái)

　　運(yùn)行狀況：夏季 2大（同1+異1）+1?。ㄍ?），最不利情況
　　冬季 2?。ㄍ?+異1）+1大（同1）

2. 主要技術(shù)參數(shù)

　　根據(jù)水泵和電機(jī)制造廠提供的設(shè)備參數(shù)，主要設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：

設(shè)備

機(jī)組

水泵及聯(lián)軸器 電機(jī) 合計(jì)
（kg.m²） 型 號(hào) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m²） 型號(hào)及功率 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m²） 大同步 S1-500.800C 145.6 TKK1600-6/1180，1600kw 195 340.6 小同步 S1-500.800C 133.6 TkK1250-6/1180，1250kw 165 298.6 大異步 S1-500.800C 145.6 YKK630-6，1600kw 157 302.62 小異步 S1-500.800C 133.6 YKK630-6，1250kw 150 283.6

3. 水錘計(jì)算數(shù)學(xué)模型和方法

　　根據(jù)GB/T-50265-97《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3條規(guī)定：有可能發(fā)生水泵危害的泵站均應(yīng)進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算?！诔醪皆O(shè)計(jì)階段和施工圖階段，宜采用特征線法或其它精度比較高的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。
　　水錘計(jì)算的特征線法的基本原理就是按照彈性水拄理論，建立管道瞬變流（水錘）過程的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程（這兩個(gè)方程是雙曲線族偏微分方程）。經(jīng)過簡化求解，得到水錘計(jì)算最重要的基礎(chǔ)方程。這個(gè)方程組的基本意義是管路系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的壓力和速度與直接波和反射波的相互作用有關(guān)，而直接波和反射波的傳遞在坐標(biāo)軸中的表現(xiàn)形式為射線，即特征線。將上述基礎(chǔ)方程經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算的的特殊方程就可以通過計(jì)算機(jī)模擬各種工況下的水錘情況。

4. 水錘模擬計(jì)算結(jié)果

4.1 無閥管路水錘工況
4.1.1 夏季運(yùn)行（兩大一小并聯(lián)運(yùn)行）
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-1、圖-2）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵最大升壓值（m） 水泵最大降壓值（m） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 114.67 -2.9 -1.28 -2.9 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 18.2 5.46 18.2 12.74

4.1.2 冬季運(yùn)行（兩小一大并聯(lián)運(yùn)行）
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-3、圖-4）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵最大升壓值（m） 水泵最大降壓值（m） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 114.66 -2.25 -1.26 -2.65 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 14.56 5.46 16.38 12.74

4.2 普通止回閥管路水錘工況
4.2.1 夏季運(yùn)行（兩大一小并聯(lián)運(yùn)行）
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-5、圖-6）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 水泵出口總管最大降值（m）） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 200.47 / -1.2 -1.88 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 11.83 6.37 16.38 6.37

　　在此管路條件下一旦發(fā)生停泵水錘，水泵出口管道水錘壓力值將達(dá)到200m，為額定揚(yáng)程的2.15倍， 最高水錘值出現(xiàn)在第12s左右，水錘峰值時(shí)間間隔為11s。水泵反轉(zhuǎn)速度小于額定轉(zhuǎn)速，在允許范圍之內(nèi)。在上述情況下，水泵出口管道和泵殼將承受較高的壓力。建議水泵基座、總出水管的鎮(zhèn)墩、閥門、管道材料和管配件等均應(yīng)按此條件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。
4.2.2 冬季運(yùn)行（兩小一大并聯(lián)運(yùn)行）
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-7、圖-8）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 水泵出口總管最大降值（m）） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 185.0 -16.2 +0.17 -0.48 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 13.22 16.84 5.92 5.92

　　在此管路條件下一旦發(fā)生停泵水錘，水泵出口管道水錘壓力值將達(dá)到190m，為額定揚(yáng)程的2.04倍。其它情況與夏季運(yùn)行相類似。
4.3 緩閉止回閥管路水錘工況
　　由于緩閉止回閥的作用，使整個(gè)管路的水錘壓力明顯下降。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，此輸水管路的較佳關(guān)閥時(shí)間為27s。本計(jì)算中分別給出27s和18s兩種條件下的水錘工況。結(jié)果表明，如果緩閉止回閥的關(guān)閉時(shí)間和角度不適當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大的水錘壓力。
4.3.1 關(guān)閥歷時(shí)27S水錘工況
　　此關(guān)閥時(shí)間與閥門相對(duì)開啟度見下表：

時(shí) 間（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12 閥門相對(duì)開度（%） 100 10 9 8 7 6 5 4 3 時(shí) 間（s） 13.5 15 16.5 18 19.5 21 22.5 24 25.5 27 閥門相對(duì)開度（%） 2 1.5 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.4 0.2 0.0

　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-9、圖-10）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 水泵出口總管最大降值（m）） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 151.93 -12.6 +0.586 -1.7 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 15.47 5.46 14.56 11.86

4.3.2 關(guān)閥歷時(shí)18S水錘工況
　　此關(guān)閥時(shí)間與閥門相對(duì)開啟度見下表：

時(shí) 間（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 閥門相對(duì)開度（%） 100 30 10 8 6 3 時(shí) 間（s） 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 閥門相對(duì)開度（%） 1 0.9 0.6 0.4 0.2 0.1 0.0

　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-11、圖-12）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 水泵出口總管最大降值（m）） 水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數(shù) 值 174.3 -13.84 -0.067 -1.034 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 11.85 5.46 14.56 7.28

4.4 0+640縱坡變化點(diǎn)發(fā)生彌合水錘（按普通止回閥考慮）的壓力情況
　　此情況是不會(huì)在本管路系統(tǒng)中發(fā)生的，因?yàn)樵谳斔苈分邪惭b的是緩閉止回閥而不是普通止回閥。按此條件模擬是說明如果在此管路中（普通止回閥條件下）發(fā)生彌合水錘則水錘壓力值將高達(dá)300m，由此可能造成嚴(yán)重的水錘事故。因此應(yīng)避免出現(xiàn)這種管路情況。
4.4.1 夏季運(yùn)行水錘工況
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-13、圖-14）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 最大空穴體積（m³） 數(shù) 值 293 12.9 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 66.43 10.01

4.4.2 冬季運(yùn)行水錘工況
　　從表示水錘壓力和水泵工況的兩份圖表（圖-15、圖-16）可以得知：

項(xiàng) 目 水泵出口總管最大升壓值（m） 最大空穴體積（m³） 數(shù) 值 301.3 11.05 對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻（s） 63.7 9.1

5. 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論
　　1） 在此特定的輸水系統(tǒng)條件下，泵站和輸水管路的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全都是至關(guān)重要的。根據(jù)上述水錘工況的模擬可知，由于此系統(tǒng)的幾何揚(yáng)程較高、管路較長，設(shè)計(jì)或管理不當(dāng)可能導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的水錘事故。
　　2） 本系統(tǒng)的最不利水錘工況是：緩閉止回閥未按設(shè)定方式動(dòng)作，而是類似普通止回閥的動(dòng)作，即本文中4.2所模擬的結(jié)果。因此建議整個(gè)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)應(yīng)按此工況進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，并應(yīng)加強(qiáng)對(duì)緩閉止回閥的保養(yǎng)維護(hù)，使之處于正常工作狀態(tài)。
　　3） 建議的停泵水錘最大壓力值為200m水柱，系統(tǒng)中的水泵、閥門和管路應(yīng)按此進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。
5.2 建議：
5.2.1泵房
　　1） 緩閉止回閥：采用緩閉止回閥，其兩階段關(guān)閉的角度和時(shí)間應(yīng)在本模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)摸索，以求獲得最佳參數(shù)。
　　2） 泵站的供電應(yīng)采用雙回路電源，水泵機(jī)組的運(yùn)行應(yīng)避免同時(shí)停泵，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)投入供電。這樣可以避免發(fā)生嚴(yán)重的水錘事故。
　　3） 建議將水泵泵殼的最大承壓水錘壓力200m和機(jī)組倒轉(zhuǎn)的情況通報(bào)水泵機(jī)組制造商，以征得他們的認(rèn)可。其它管路閥門和配件也應(yīng)按此條件設(shè)計(jì)制造。
5.2.2輸水管路
　　輸水管路的布置基本上是合理的。在0+640和2+140處，可考慮適當(dāng)調(diào)整管道埋深，減少縱坡的變化，避免出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，從而減少發(fā)生彌合水錘的機(jī)會(huì)。通過模擬計(jì)算，在0+640處，可能發(fā)生水拄斷裂，建議在此處建設(shè)一座單向調(diào)壓塔，調(diào)壓塔的容積為彌合水錘模擬空穴容積的2倍，即20 m³左右，由于北方處于寒冷地區(qū)，此調(diào)壓塔應(yīng)作好防凍處理。
　　為防止水錘對(duì)管路系統(tǒng)的破壞，管道設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)以下問題予以關(guān)注
　　· 鎮(zhèn)墩（水平和縱向轉(zhuǎn)折）設(shè)計(jì)應(yīng)按水錘壓力200m進(jìn)行計(jì)算校核
　　· 凸點(diǎn)（排氣閥與單向調(diào)壓塔）處應(yīng)設(shè)置排氣閥；在0+640處，建議設(shè)置單向調(diào)壓塔（容積20m³），凸點(diǎn)應(yīng)盡量平緩銜接。
　　· 輸水管路出口的穩(wěn)壓井的管道布置方式，要考慮盡可能防止穩(wěn)壓井內(nèi)的水倒流進(jìn)管道。
　　輸水管路靠近泵房部分（500m范圍）的管路閥門、配件和管材厚度和強(qiáng)度應(yīng)按200m水錘壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。

參考文獻(xiàn)
　?、?停泵水錘計(jì)算及其防護(hù)， 楊遠(yuǎn)東，鄧志光《中國給水排水》2000.5
　　⑵ 停泵水錘及其防護(hù)，金錐，姜乃昌等，中國建筑工業(yè)出版社 1993

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