鄧志光 楊遠東
中國市政工程中南設計研究院

　　內容提要：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。并根據模擬結果，提出了泵房和輸水管線設計中應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計建設于黃河岸邊，一期設計最大取水流量3.36m³/s（兩大一小三臺水泵并聯運行）。 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，有三個轉折點，其Gy1、Gy2和Gy3的轉折角度分別為153°、118°和134°。
　　該取水泵房（一期）設計配備四臺水泵，具體參數如下表所示：

設備

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. 主要技術參數

　　根據水泵和電機制造廠提供的設備參數，主要設備的轉動慣量如下：

設備

機組

水泵及聯軸器 電機 合計
（kg.m²） 型 號 轉動慣量（kg.m²） 型號及功率 轉動慣量（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. 水錘計算數學模型和方法

　　根據GB/T-50265-97《泵站設計規范》第9.3條規定：有可能發生水泵危害的泵站均應進行事故停泵水錘計算。…在初步設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方程（這兩個方程是雙曲線族偏微分方程）。經過簡化求解，得到水錘計算最重要的基礎方程。這個方程組的基本意義是管路系統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，而直接波和反射波的傳遞在坐標軸中的表現形式為射線，即特征線。將上述基礎方程經過轉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. 水錘模擬計算結果

4.1 無閥管路水錘工況
4.1.1 夏季運行（兩大一小并聯運行）
　　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） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 114.67 -2.9 -1.28 -2.9 對應發生時刻（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） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 114.66 -2.25 -1.26 -2.65 對應發生時刻（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）） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 200.47 / -1.2 -1.88 對應發生時刻（s） 11.83 6.37 16.38 6.37

　　在此管路條件下一旦發生停泵水錘，水泵出口管道水錘壓力值將達到200m，為額定揚程的2.15倍， 最高水錘值出現在第12s左右，水錘峰值時間間隔為11s。水泵反轉速度小于額定轉速，在允許范圍之內。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、總出水管的鎮墩、閥門、管道材料和管配件等均應按此條件進行設計和校核。
4.2.2 冬季運行（兩小一大并聯運行）
　　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）） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 185.0 -16.2 +0.17 -0.48 對應發生時刻（s） 13.22 16.84 5.92 5.92

　　在此管路條件下一旦發生停泵水錘，水泵出口管道水錘壓力值將達到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。根據計算機模擬結果，此輸水管路的較佳關閥時間為27s。本計算中分別給出27s和18s兩種條件下的水錘工況。結果表明，如果緩閉止回閥的關閉時間和角度不適當，也會導致產生較大的水錘壓力。
4.3.1 關閥歷時27S水錘工況
　　此關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）） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 151.93 -12.6 +0.586 -1.7 對應發生時刻（s） 15.47 5.46 14.56 11.86

4.3.2 關閥歷時18S水錘工況
　　此關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）） 水泵最大倒轉轉速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 數 值 174.3 -13.84 -0.067 -1.034 對應發生時刻（s） 11.85 5.46 14.56 7.28

4.4 0+640縱坡變化點發生彌合水錘（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中發生的，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）發生彌合水錘則水錘壓力值將高達300m，由此可能造成嚴重的水錘事故。因此應避免出現這種管路情況。
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 值 293 12.9 對應發生時刻（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 值 301.3 11.05 對應發生時刻（s） 63.7 9.1

5. 結論及建議

5.1 結論
　　1） 在此特定的輸水系統條件下，泵站和輸水管路的設計與運行管理對于整個系統的安全都是至關重要的。根據上述水錘工況的模擬可知，由于此系統的幾何揚程較高、管路較長，設計或管理不當可能導致發生嚴重的水錘事故。
　　2） 本系統的最不利水錘工況是：緩閉止回閥未按設定方式動作，而是類似普通止回閥的動作，即本文中4.2所模擬的結果。因此建議整個系統的安全設計應按此工況進行設計和校核，并應加強對緩閉止回閥的保養維護，使之處于正常工作狀態。
　　3） 建議的停泵水錘最大壓力值為200m水柱，系統中的水泵、閥門和管路應按此進行設計和校核。
5.2 建議：
5.2.1泵房
　　1） 緩閉止回閥：采用緩閉止回閥，其兩階段關閉的角度和時間應在本模擬結果的基礎上進行試驗摸索，以求獲得最佳參數。
　　2） 泵站的供電應采用雙回路電源，水泵機組的運行應避免同時停泵，當一路電源發生故障時，另一路電源應在盡可能短的時間內投入供電。這樣可以避免發生嚴重的水錘事故。
　　3） 建議將水泵泵殼的最大承壓水錘壓力200m和機組倒轉的情況通報水泵機組制造商，以征得他們的認可。其它管路閥門和配件也應按此條件設計制造。
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，可考慮適當調整管道埋深，減少縱坡的變化，避免出現明顯的拐點，從而減少發生彌合水錘的機會。通過模擬計算，在0+640處，可能發生水拄斷裂，建議在此處建設一座單向調壓塔，調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，此調壓塔應作好防凍處理。
　　為防止水錘對管路系統的破壞，管道設計中應對以下問題予以關注
　　· 鎮墩（水平和縱向轉折）設計應按水錘壓力200m進行計算校核
　　· 凸點（排氣閥與單向調壓塔）處應設置排氣閥；在0+640處，建議設置單向調壓塔（容積20m³），凸點應盡量平緩銜接。
　　· 輸水管路出口的穩壓井的管道布置方式，要考慮盡可能防止穩壓井內的水倒流進管道。
　　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按200m水錘壓力進行設計和校核。

參考文獻
　?、?停泵水錘計算及其防護， 楊遠東，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，中國建筑工業出版社 1993

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