鄧志光 楊遠(yuǎn)東
中國市政工程中南設(shè)計研究院

　　內(nèi)容提要：本文采用計算機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)計中應(yīng)注意的問題以及停泵水錘的防護措施。

1. 取水工程基本情況

　　北方某市引黃工程取水泵房設(shè)計建設(shè)于黃河岸邊，一期設(shè)計最大取水流量3.36m³/s（兩大一小三臺水泵并聯(lián)運行）。 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(吸水井最低水位500.0m)與終點（穩(wěn)壓井堰上水位587.3m）的最大幾何高差為87.3m。整個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號和2+140號樁的縱坡有一定的變化；在平面走向方面，有三個轉(zhuǎn)折點，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)計配備四臺水泵，具體參數(shù)如下表所示：

設(shè)備

機組

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

　　運行狀況：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)水泵和電機制造廠提供的設(shè)備參數(shù)，主要設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量如下：

設(shè)備

機組

水泵及聯(lián)軸器 電機 合計
（kg.m²） 型 號 轉(zhuǎn)動慣量（kg.m²） 型號及功率 轉(zhuǎn)動慣量（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. 水錘計算數(shù)學(xué)模型和方法

　　根據(jù)GB/T-50265-97《泵站設(shè)計規(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)進行事故停泵水錘計算?！诔醪皆O(shè)計階段和施工圖階段，宜采用特征線法或其它精度比較高的計算方法進行計算。
　　水錘計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）過程的運動方程和連續(xù)方程（這兩個方程是雙曲線族偏微分方程）。經(jīng)過簡化求解，得到水錘計算最重要的基礎(chǔ)方程。這個方程組的基本意義是管路系統(tǒng)中任何一點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)換成為便于計算機計算的的特殊方程就可以通過計算機模擬各種工況下的水錘情況。

4. 水錘模擬計算結(jié)果

4.1 無閥管路水錘工況
4.1.1 夏季運行（兩大一小并聯(lián)運行）
　　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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（s） 18.2 5.46 18.2 12.74

4.1.2 冬季運行（兩小一大并聯(lián)運行）
　　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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（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 夏季運行（兩大一小并聯(lián)運行）
　　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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（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，為額定揚程的2.15倍， 最高水錘值出現(xiàn)在第12s左右，水錘峰值時間間隔為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)按此條件進行設(shè)計和校核。
4.2.2 冬季運行（兩小一大并聯(lián)運行）
　　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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（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，為額定揚程的2.04倍。其它情況與夏季運行相類似。
4.3 緩閉止回閥管路水錘工況
　　由于緩閉止回閥的作用，使整個管路的水錘壓力明顯下降。根據(jù)計算機模擬結(jié)果，此輸水管路的較佳關(guān)閥時間為27s。本計算中分別給出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)閉時間和角度不適當(dāng)，也會導(dǎo)致產(chǎn)生較大的水錘壓力。
4.3.1 關(guān)閥歷時27S水錘工況
　　此關(guān)閥時間與閥門相對開啟度見下表：

時 間（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12 閥門相對開度（%） 100 10 9 8 7 6 5 4 3 時 間（s） 13.5 15 16.5 18 19.5 21 22.5 24 25.5 27 閥門相對開度（%） 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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（s） 15.47 5.46 14.56 11.86

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

時 間（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 閥門相對開度（%） 100 30 10 8 6 3 時 間（s） 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 閥門相對開度（%） 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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（s） 11.85 5.46 14.56 7.28

4.4 0+640縱坡變化點發(fā)生彌合水錘（按普通止回閥考慮）的壓力情況
　　此情況是不會在本管路系統(tǒng)中發(fā)生的，因為在輸水管路中安裝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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（s） 66.43 10.01

4.4.2 冬季運行水錘工況
　　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 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 對應(yīng)發(fā)生時刻（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)計與運行管理對于整個系統(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)的幾何揚程較高、管路較長，設(shè)計或管理不當(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)定方式動作，而是類似普通止回閥的動作，即本文中4.2所模擬的結(jié)果。因此建議整個系統(tǒng)的安全設(shè)計應(yīng)按此工況進行設(shè)計和校核，并應(yīng)加強對緩閉止回閥的保養(yǎng)維護，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)按此進行設(shè)計和校核。
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)閉的角度和時間應(yīng)在本模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進行試驗摸索，以求獲得最佳參數(shù)。
　　2） 泵站的供電應(yīng)采用雙回路電源，水泵機組的運行應(yīng)避免同時停泵，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時，另一路電源應(yīng)在盡可能短的時間內(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和機組倒轉(zhuǎn)的情況通報水泵機組制造商，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，從而減少發(fā)生彌合水錘的機會。通過模擬計算，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。
　　為防止水錘對管路系統(tǒng)的破壞，管道設(shè)計中應(yīng)對以下問題予以關(guān)注
　　· 鎮(zhèn)墩（水平和縱向轉(zhuǎn)折）設(shè)計應(yīng)按水錘壓力200m進行計算校核
　　· 凸點（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度應(yīng)按200m水錘壓力進行設(shè)計和校核。

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

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