北方某取水工程水錘計(jì)算及水錘防護(hù)建議

1、北方某取水工程水錘計(jì)算及水錘防護(hù)建議摘要：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。 關(guān)鍵詞：水錘計(jì)算 水錘防護(hù)  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(zhǎng)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

2、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s1-500.800c1.2393985ttk1600-616001000一臺(tái)小同步s1-500.800c0.993985ttk1250-612501000一臺(tái)大異步s1-500.800c1.2393985yyk6

3、30-616001000一臺(tái)小異步s1-500.800c0.993985yyk630-612501000一臺(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s1-500.800c145.6tkk1600-6/1180，1600kw195340.6小同步s1-500.800c133.6tkk1250-6/1180，1250kw165298.6大異步s1

4、-500.800c145.6ykk630-6，1600kw157302.6小異步s1-500.800c133.6ykk630-6，1250kw150283.63.    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。在初步設(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(jiǎn)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

5、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(wú)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)   

6、60;     值114.67-2.9-1.28-2.9對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻(s)18.25.4618.212.744.1.2 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)

7、14.565.4616.3812.744.2 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)11.836.3716.386.37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

8、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壓值(m)水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(nn)最大倒流量(m3/s)數(shù)  &#

9、160;       值185.0-16.2+0.17-0.48對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻(s)13.2216.845.925.92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)

10、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)01.53.04.56.07.59.010.512閥門相對(duì)開度（%）100109876543時(shí)      間(s)13.51516.51819.52122.52425.527閥門相對(duì)開度（%）21.510.90.80.70.60.40.20.0    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)   

11、  目水泵出口總管最大升壓值(m)水泵出口總管最大降壓值(m)水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(nn)最大倒流量(m3/s)數(shù)          值151.93-12.6+0.586-1.7對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻(s)15.475.4614.5611.834.3.2 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)01.534.567.5閥門相對(duì)開度（%）1003010863時(shí)間(s)910.51213.51516.518閥門相對(duì)開度（%）10.90.60.40.20.10.0 &#

12、160; 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壓值(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) 11.835.4614.567.284.4 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

13、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29312.9對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻(s)66.4310.014.4.2 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)&

14、#160;     目水泵出口總管最大升壓值(m)最大空穴體積（m3）數(shù)       值301.311.05對(duì)應(yīng)發(fā)生時(shí)刻(s)63.79.15.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(zhǎng)，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

15、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2