北方某取水工程水锤计算及水锤防护建议

邓志光 杨远东
中国市政工程中南设计研究院

　　内容提要：本文采用计算机模拟北方某城市取水工程的停泵水锤工作情况。并根据模拟结果，提出了泵房和输水管线设计中应注意的问题以及停泵水锤的防护措施。

1. 取水工程基本情况

　　北方某市引黄工程取水泵房设计建设于黄河岸边，一期设计最大取水流量3.36m³/s（两大一小三台水泵并联运行）。 原水输水管道总长度为2731.07m，分别为DN1600钢管（L=640m）和球墨铸铁管（L=2091.07m），起点(吸水井最低水位500.0m)与终点（稳压井堰上水位587.3m）的最大几何高差为87.3m。整个输水管线纵坡从泵房至水厂呈较为均匀的上升，平均坡度为2.76%，其中在0+640号和2+140号桩的纵坡有一定的变化；在平面走向方面，有三个转折点，其Gy1、Gy2和Gy3的转折角度分别为153°、118°和134°。
　　该取水泵房（一期）设计配备四台水泵，具体参数如下表所示：

设备

机组

水泵 电机 备注 型 号 Q（m³/s） H（m） n（r/min） 型号 P（Kw） n（r/min） 大同步 S1-500.800C 1.23 93 985 TTK1600-6 1600 1000 一台 小同步 S1-500.800C 0.9 93 985 TTK1250-6 1250 1000 一台 大异步 S1-500.800C 1.23 93 985 YYK630-6 1600 1000 一台 小异步 S1-500.800C 0.9 93 985 YYK630-6 1250 1000 一台

　　运行状况：夏季 2大（同1+异1）+1小（同1），最不利情况
　　冬季 2小（同1+异1）+1大（同1）

2. 主要技术参数

　　根据水泵和电机制造厂提供的设备参数，主要设备的转动惯量如下：

设备

机组

水泵及联轴器 电机 合计
（kg.m²） 型 号 转动惯量（kg.m²） 型号及功率 转动惯量（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 大异步 S1-500.800C 145.6 YKK630-6，1600kw 157 302.62 小异步 S1-500.800C 133.6 YKK630-6，1250kw 150 283.6

3. 水锤计算数学模型和方法

　　根据GB/T-50265-97《泵站设计规范》第9.3条规定：有可能发生水泵危害的泵站均应进行事故停泵水锤计算。…在初步设计阶段和施工图阶段，宜采用特征线法或其它精度比较高的计算方法进行计算。
　　水锤计算的特征线法的基本原理就是按照弹性水拄理论，建立管道瞬变流（水锤）过程的运动方程和连续方程（这两个方程是双曲线族偏微分方程）。经过简化求解，得到水锤计算最重要的基础方程。这个方程组的基本意义是管路系统中任何一点的压力和速度与直接波和反射波的相互作用有关，而直接波和反射波的传递在坐标轴中的表现形式为射线，即特征线。将上述基础方程经过转换成为便于计算机计算的的特殊方程就可以通过计算机模拟各种工况下的水锤情况。

4. 水锤模拟计算结果

4.1 无阀管路水锤工况
4.1.1 夏季运行（两大一小并联运行）
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-1、图-2）可以得知：

项 目 水泵最大升压值（m） 水泵最大降压值（m） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 114.67 -2.9 -1.28 -2.9 对应发生时刻（s） 18.2 5.46 18.2 12.74

4.1.2 冬季运行（两小一大并联运行）
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-3、图-4）可以得知：

项 目 水泵最大升压值（m） 水泵最大降压值（m） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 114.66 -2.25 -1.26 -2.65 对应发生时刻（s） 14.56 5.46 16.38 12.74

4.2 普通止回阀管路水锤工况
4.2.1 夏季运行（两大一小并联运行）
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-5、图-6）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 水泵出口总管最大降值（m）） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 200.47 / -1.2 -1.88 对应发生时刻（s） 11.83 6.37 16.38 6.37

　　在此管路条件下一旦发生停泵水锤，水泵出口管道水锤压力值将达到200m，为额定扬程的2.15倍， 最高水锤值出现在第12s左右，水锤峰值时间间隔为11s。水泵反转速度小于额定转速，在允许范围之内。在上述情况下，水泵出口管道和泵壳将承受较高的压力。建议水泵基座、总出水管的镇墩、阀门、管道材料和管配件等均应按此条件进行设计和校核。
4.2.2 冬季运行（两小一大并联运行）
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-7、图-8）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 水泵出口总管最大降值（m）） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 185.0 -16.2 +0.17 -0.48 对应发生时刻（s） 13.22 16.84 5.92 5.92

　　在此管路条件下一旦发生停泵水锤，水泵出口管道水锤压力值将达到190m，为额定扬程的2.04倍。其它情况与夏季运行相类似。
4.3 缓闭止回阀管路水锤工况
　　由于缓闭止回阀的作用，使整个管路的水锤压力明显下降。根据计算机模拟结果，此输水管路的较佳关阀时间为27s。本计算中分别给出27s和18s两种条件下的水锤工况。结果表明，如果缓闭止回阀的关闭时间和角度不适当，也会导致产生较大的水锤压力。
4.3.1 关阀历时27S水锤工况
　　此关阀时间与阀门相对开启度见下表：

时 间（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12 阀门相对开度（%） 100 10 9 8 7 6 5 4 3 时 间（s） 13.5 15 16.5 18 19.5 21 22.5 24 25.5 27 阀门相对开度（%） 2 1.5 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.4 0.2 0.0

　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-9、图-10）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 水泵出口总管最大降值（m）） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 151.93 -12.6 +0.586 -1.7 对应发生时刻（s） 15.47 5.46 14.56 11.86

4.3.2 关阀历时18S水锤工况
　　此关阀时间与阀门相对开启度见下表：

时 间（s） 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 阀门相对开度（%） 100 30 10 8 6 3 时 间（s） 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 阀门相对开度（%） 1 0.9 0.6 0.4 0.2 0.1 0.0

　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-11、图-12）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 水泵出口总管最大降值（m）） 水泵最大倒转转速（Nn） 最大倒流量（m³/s） 数 值 174.3 -13.84 -0.067 -1.034 对应发生时刻（s） 11.85 5.46 14.56 7.28

4.4 0+640纵坡变化点发生弥合水锤（按普通止回阀考虑）的压力情况
　　此情况是不会在本管路系统中发生的，因为在输水管路中安装的是缓闭止回阀而不是普通止回阀。按此条件模拟是说明如果在此管路中（普通止回阀条件下）发生弥合水锤则水锤压力值将高达300m，由此可能造成严重的水锤事故。因此应避免出现这种管路情况。
4.4.1 夏季运行水锤工况
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-13、图-14）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 最大空穴体积（m³） 数 值 293 12.9 对应发生时刻（s） 66.43 10.01

4.4.2 冬季运行水锤工况
　　从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-15、图-16）可以得知：

项 目 水泵出口总管最大升压值（m） 最大空穴体积（m³） 数 值 301.3 11.05 对应发生时刻（s） 63.7 9.1

5. 结论及建议

5.1 结论
　　1） 在此特定的输水系统条件下，泵站和输水管路的设计与运行管理对于整个系统的安全都是至关重要的。根据上述水锤工况的模拟可知，由于此系统的几何扬程较高、管路较长，设计或管理不当可能导致发生严重的水锤事故。
　　2） 本系统的最不利水锤工况是：缓闭止回阀未按设定方式动作，而是类似普通止回阀的动作，即本文中4.2所模拟的结果。因此建议整个系统的安全设计应按此工况进行设计和校核，并应加强对缓闭止回阀的保养维护，使之处于正常工作状态。
　　3） 建议的停泵水锤最大压力值为200m水柱，系统中的水泵、阀门和管路应按此进行设计和校核。
5.2 建议：
5.2.1泵房
　　1） 缓闭止回阀：采用缓闭止回阀，其两阶段关闭的角度和时间应在本模拟结果的基础上进行试验摸索，以求获得最佳参数。
　　2） 泵站的供电应采用双回路电源，水泵机组的运行应避免同时停泵，当一路电源发生故障时，另一路电源应在尽可能短的时间内投入供电。这样可以避免发生严重的水锤事故。
　　3） 建议将水泵泵壳的最大承压水锤压力200m和机组倒转的情况通报水泵机组制造商，以征得他们的认可。其它管路阀门和配件也应按此条件设计制造。
5.2.2输水管路
　　输水管路的布置基本上是合理的。在0+640和2+140处，可考虑适当调整管道埋深，减少纵坡的变化，避免出现明显的拐点，从而减少发生弥合水锤的机会。通过模拟计算，在0+640处，可能发生水拄断裂，建议在此处建设一座单向调压塔，调压塔的容积为弥合水锤模拟空穴容积的2倍，即20 m³左右，由于北方处于寒冷地区，此调压塔应作好防冻处理。
　　为防止水锤对管路系统的破坏，管道设计中应对以下问题予以关注
　　· 镇墩（水平和纵向转折）设计应按水锤压力200m进行计算校核
　　· 凸点（排气阀与单向调压塔）处应设置排气阀；在0+640处，建议设置单向调压塔（容积20m³），凸点应尽量平缓衔接。
　　· 输水管路出口的稳压井的管道布置方式，要考虑尽可能防止稳压井内的水倒流进管道。
　　输水管路靠近泵房部分（500m范围）的管路阀门、配件和管材厚度和强度应按200m水锤压力进行设计和校核。

参考文献
　　⑴ 停泵水锤计算及其防护， 杨远东，邓志光《中国给水排水》2000.5
　　⑵ 停泵水锤及其防护，金锥，姜乃昌等，中国建筑工业出版社 1993

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