轉動慣量對停泵水錘計算的影響分析

楊 宇

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110001）

轉動慣量對停泵水錘計算的影響分析

楊 宇

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110001）

大伙房水庫輸水應急入連工程是大伙房水庫供水工程的一個分支，該分支設有2級加壓泵站，分支距離長、流量大、揚程高。本文選擇該分支中2級泵站至下游無壓洞進口為對象，運用bentleyhammer軟件對該部分工程建立模型，進行水錘防護計算，通過對停泵水錘與水泵轉動慣量原理的理解分析，計算不同水泵的轉動慣量對水錘防護計算的影響。

應急入連；bentleyhammer；停泵水錘；轉動慣量

1 工程基礎數據

大伙房水庫輸水應急入連工程是大伙房輸水工程的一個分支，該分支從鞍山加壓站加壓供水，由1根DN2800的PCCP管送至蓋州加壓泵站前池，再由蓋州泵站加壓送至下游無壓洞，由無壓洞送至碧流河水庫。水錘波在蓋州加壓泵站前池與無壓洞截斷將該支線分為獨立的3部分，本文只針對蓋州泵站至無壓洞這一段進行水錘計算分析。

蓋州加壓泵站從吸水前池吸水。吸水前池水位為46m。泵站設水泵6臺（4用2備）。其中2臺變頻調速水泵，4臺恒定水泵。水泵額定流量為9375m3/h，揚程為106.12m。最高日流量為90萬m3，水泵轉動慣量為320kg·m2。

蓋州加壓泵站平面布置示意圖如圖1所示。

蓋州加壓泵站至無壓洞入口管線全長730m，管材為鋼管，工作壓力為1.20MPa，試驗壓力為1.7MPa。

該段管線鋪設地勢由低到高，海拔高程差值大，水泵揚程高，水錘計算分析主要針對泵站突然發生掉電事故停泵后的泵站安全防護，管線正壓不超過管線試驗壓力1.7MPa、負壓不超過-0.03MPa。

2 停泵水錘原理

對于使用水泵加壓的有壓輸水系統，泵站掉電而發生的突然停泵是該類系統水錘防護計算的最不利工況。因為在水泵正常運行時，管路的壓力和流量是穩定的，可突然停泵，泵出口壓力驟然消失，受水泵下游水壓的影響，水流會急速的回流，導致水泵倒轉，管路系統中因水回流導致水柱拉斷，產生嚴重的斷流彌合水錘，此時正負壓會在斷流水柱處交替變化，極端工況下便會發生爆管淹沒管路周圍的地方，并且如果水泵長時間倒轉轉速超過額定轉速的1.2倍，水泵也會遭到破壞，因爆管產生的經濟損失和安全問題是不容忽視的，這也是水錘防護計算必須要解決的問題。

圖1 蓋州加壓泵站平面布置示意圖

通過對停泵水錘的分析可知，在突然停泵后，水泵葉輪在慣性作用下轉速會從額定轉速逐漸變為0，然后受下游水體重力的影響，再從0轉速變為倒轉，這個變化的過程越快，水流回流的速度就越大，產生水柱拉斷的情況就會越明顯。由此可知要減小停泵水錘的危害，關鍵是需要延長水泵轉速變化的時間。通常采用的方法有泵后止回閥2階段關閉，只是作用有限，對于很多高揚程、大流量的輸水系統并沒有很好的防護效果。

由停泵水錘的原理分析可知，要延長水泵轉速改變的時間，增加轉動慣量也是可行的。轉動慣量反應轉動剛體的慣性大小，它是剛體繞定軸轉動時慣性的度量，如同剛體做平動時質量是其慣性的度量一樣。計算公式如下：

式中：J—剛體對轉軸的轉動慣量，kg·m2；mi—剛體任一點質量，kg；ri—剛體任一點與轉軸的距離，m。

在轉矩一定的情況下，轉動慣量越大，越不容易使剛體轉動或改變他的轉動狀態，由此分析推斷增加水泵的轉動慣量可以使水泵在突然停泵時減緩水泵轉速減小的時間，保持水力過渡過程的穩定，對于水錘防護有積極作用。

實際工程中水泵轉動慣量是由水泵、電機和必要時需要增加的慣性飛輪3部分組成。

3 運用bentleyhammer軟件計算各轉動慣量下的停泵水錘

Hammer軟件是目前市場上較為成熟的水錘計算軟件之一，對輸水系統常見的各類元件的邊界條件計算方法建模，如水泵、閥門、多種形式的空氣閥，調壓塔、穩壓管等，用戶可以通過管線的坐標、高程直接建立輸水管線模型，加上工程實際使用的各類設備元件，并輸入本工程的相關數據，進行水力過渡過程模擬計算。本文按照應急入連分支的具體情況，建立輸水管線，在管線各個相應位置選擇水泵、閥門等設備，輸入實際工程的特性參數，即完成了建模，接下來可以進行水力過渡計算。

運用hammer軟件首先計算發生突然停泵，水泵原轉動慣量320kg·m2，泵后設置緩閉止回閥，止回閥2s快關80%，32s全部關閉，計算結果如圖2所示。

圖2 水泵為原轉動慣量的管線水力包絡線

通過水力過渡計算，結果顯示該種工況下管線的正壓升壓不高，最大正壓為138.2m，滿足管線試驗壓力，但是泵前管線出現一定負壓，最大負壓為-3.4m，泵后末端管線也有大量負壓產生，最大負壓為-3.6m，不滿足管線的安全要求。

接著計算發生突然停泵，其余條件不變，只將水泵轉動慣量提高為1.2倍原轉動慣量即384kg· m2，計算結果如圖3所示。

圖3 水泵轉動慣量提高為原轉動慣量的1.2倍時的管線水力包絡線

圖4 水泵轉動慣量提高為原轉動慣量的2倍時的管線水力包絡線

通過水力過渡計算，結果顯示該種工況下管線正壓、負壓都有了一定程度的減少，最大負壓為-2.7m，最大正壓為133.7m，均滿足管線的安全要求。

進一步增加轉動慣量后，計算發生突然停泵，其余條件不變，將水泵轉動慣量進一步提高為原轉動慣量的2倍即640kg·m2，計算結果如圖4所示。

計算結果顯示增加到2倍轉動慣量的水錘防護效果更加明顯。管線負壓全部消除，最大正壓為120m，滿足管線的安全要求。

4 結論

通過理論與實際工程計算分析，增加轉動慣量在停泵水錘防護上有積極作用。隨著轉動慣量的逐步增加，突然停泵后水泵轉速減小到0的時間在逐漸延長，水力過渡過程也更加穩定。

但是需要注意的是增加水泵轉動慣量，水泵造價也會相應增加，并且水泵的起泵功率也會有所增加，需核算電機容量能否滿足起泵負荷要求，并且轉動慣量增加到一定程度后對水錘防護的幫助有限，因此水泵轉動慣量并不能無限擴大，但毋庸置疑的是通過增加一定的轉動慣量可以減少其他防護措施的容積與數量。

總之在長距離輸水工程的實際應用中，適當增加水泵轉動慣量因其不需增加額外的占地與設備顯然是一個比較方便可行的水錘防護措施。具體實施時需針對實際工程情況詳細計算后通過比較得出經濟合理的防護措施。

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TU991.39

A

1672-2469（2015）12-0063-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.023

楊 宇（1981年—），女，碩士研究生。