基于Bentley Hammer 的停泵水錘分析

張榮上

（廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610）

在泵站供水工程中，輸水管道破裂、機組振動是比較常見的現象。這種現象嚴重影響泵站供水工程的正常運作，甚至導致機組報廢。引起機組振動、管道破裂的原因有很多，除了設備質量、安裝質量之外，機組的停泵水錘對管道和機組的安全影響尤為明顯[1]。在泵站設計階段，找出管路運行的最不利的工況，減小水錘對管路造成不利影響則顯得尤為重要。本文以花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農田灌溉工程為例，基于Bentley Hammer 軟件對長距離輸水管道瞬態(tài)水錘進行分析計算。

1 工程概況

花都區(qū)位于廣東省中南部、珠江三角洲北緣，東北與從化縣為鄰，東南與廣州市白云區(qū)接壤，西南與三水及南?？h交界，西北與清遠市相連，是廣州市北大門。炭步鎮(zhèn)位于花都市西南部，東與廣州白云區(qū)接壤，南臨南海市，西與三水市相連，地理環(huán)境優(yōu)越，水陸交通便利。

由于炭步鎮(zhèn)中洞水庫水量滲漏流失較為嚴重，造成其下游灌區(qū)水資源短缺，無法滿足灌區(qū)農田的用水需求，為了提高花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農業(yè)經濟效益，增加廣大農民群眾的收益，擬投資興建炭步鎮(zhèn)西部農田灌溉工程。該工程位于花都區(qū)炭步鎮(zhèn)大渦村，擬在蘆苞涌左岸堤防外側新建一提水灌溉泵站，以滿足炭步鎮(zhèn)大渦村農業(yè)發(fā)展的用水需求。

花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農田灌溉工程擬建裝機2×132 kW 泵站一座，設計供水量0.96 m3/s，新建壓力管道1300 m，改造灌區(qū)渠道渠道5500 m，受益灌溉面積0.95 萬畝。

2 工程模型

炭步鎮(zhèn)農田灌溉工程共設兩臺同型號混流泵，水泵設計揚程13.5 m，單泵設計流量0.48 m3/s，總供水流量0.96 m3/s，輸水干管采用L360 鋼管，直徑DN900，管道長度1300 m。工程平面布置圖見圖1。

圖1 工程平面布置圖

圖2 模型縱斷面圖

根據工程平面布置圖建立節(jié)點模型，節(jié)點位置代表工程布置中的鎮(zhèn)墩。本模型共設置9 個鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩特性表見表1、壓力管道各段特性表見表2。

表1 鎮(zhèn)墩特性表

表2 壓力管道各段特性表

3 正常運行工況管道壓力分析

通過圖1 及表1 可見，本工程管道平面和豎向轉角均為鈍角，屬于小角度轉折，對減少局部水頭損失是有利的。管道的縱向布置基本沿現狀地面下挖2.0 m 確定管道埋深。

采用壓力輸水的豎向布置管線，一般要求在不同輸水工況下，位于輸水壓力線以下。

為了檢查管線縱向設計的合理性，啟動模型，模擬1#、2#泵正常抽水運行的工況。正常運行水力坡度見圖3。

圖3 管道正常工作壓力線

表3 1#、2# 泵正常運行工況下水泵壓力及水頭

通過對管道正常工作壓力線的分析可知，正常運行工況下，管道空氣容積為零，管道沒產生負壓。管道縱向布置是合理的，管道正常工作最大水頭為14.54 m。

4 停泵水錘分析

根據調查統計，水錘事故大部分是發(fā)生在停泵階段，因此停泵水錘分析對工程安全尤為重要。

本工程1#、2#泵獨立供水，每臺水泵均設置液控緩閉止回閥，保證兩臺泵的使用互不影響。因此本工程可能發(fā)生的停泵水錘有兩種工況，第一種情況是機械或線路故障導致的單臺水泵停機，第二種情況時線路故障導致的兩臺水泵同時停機。

（一）單泵停機

本工況模擬1#水泵停機，2#水泵正常運行。1#泵停泵水錘包絡圖見圖4，2#泵運行壓力線見圖5。

圖4 1# 泵停泵水錘包絡圖

圖5 2# 泵運行水錘包絡圖

表4 1# 泵停機2# 泵運行工況下水泵壓力及水頭

通過運行單泵停機模型可知，1#泵停機后，最大壓力水頭14.54 m，最小水頭為5.82 m。1# 泵停機時2 號泵繼續(xù)運行，最大壓力水頭14.54 m，最小水頭7.71 m。1# 泵出口處（P-2：PMP-1）和2# 泵出口處（P-4：PMP-2）最小工作壓力有明顯差異。由于2#泵沒有停機，所以水泵出口位置最小工作壓力較大。同時1#泵的停泵水錘對2 號泵的運行也產生了不利影響。本工況下，管路中空氣容積為零，管路中沒有產生負壓。

（2）雙泵停機

本工況模擬1#、2# 水泵同時停機，1#（2#）水錘包絡圖見圖6。

圖6 1#（2#）泵停水錘包絡圖

表5 1#（2#）泵同時停泵工況下水泵壓力及水頭

通過運行雙泵停機模型可知，管路中最大壓力水頭19.21 m，最小水頭2.77 m?？諝馊莘e為零，管路中產生了負壓，未發(fā)生水柱斷裂現場。

5 不利工況處理

根據停泵水錘分析結果，最不利工況發(fā)生在兩臺水泵同時停機時，雖然未發(fā)生水柱斷裂現象，但是對管道結構穩(wěn)定有明顯的負面影響。本工程在進行管道設計時，在地形局部起伏較大的地勢較高點設置了排氣閥門來消減水錘波。管道結構設計和鎮(zhèn)墩設計均針對管道沿線水錘壓力分布進行了合理優(yōu)化，大大節(jié)約了工程投資。

工程于2015 年底竣工，2016 年初調試運行，泵站已安全運行三年，灌溉效果良好，受到當地群眾的好評。工程的建設對當地農業(yè)和漁業(yè)的發(fā)展起到了非常積極的作用。

6 結論

通過對三種泵組運行工況的模擬，可以得出以下結論：

（1）對本工程而言，單泵停機對管道工作壓力不大，但是會引起管路工作壓力波動，同時對其他正在運行的水泵產生不利影響。

（2）管道中的最大和最小工作壓力均發(fā)生在兩臺機組同時停機時，在地形起伏較大位置，管路中產生負壓。雖然此時沒發(fā)生水柱斷裂現場，仍需要引起設計人員的足夠重視。

（3）根據對水泵不同運行工況的模擬可知，為保障泵組的安全，在水泵出口段管道上設置止回閥是必要的。

（4）針對不利工況對管道及附屬結構進行優(yōu)化設計不僅可以保證工程安全，也可以節(jié)約工程投資。

（5）本工程雖然只模擬了兩臺水泵的三種運行工況。但是對其他多臺水泵組成的泵組設計亦有一定的參考作用。