大型原水管道水錘防護計算分析

齊利華

【摘要】珠海洪灣原水系統規模為80萬m3/d，主要對珠海主城區和澳門輸送原水。原水系統采用2-DN2000鋼制管道，全長4.6km，并在沿線布置了11座緩閉式止回閥；為保障原水管道安全，采用HAMMER軟件計算分析管道水錘，運行工況為泵站突然斷電，考察系統最大反向流量和水泵最大反轉速。計算結果顯示，當泵站斷電，停泵后系統的水錘壓力不明顯，整個管線多處存在負壓，但最大負壓為-1.53mH2O，不會危害管線的運行安全；最大反轉速沒有超過額定轉速的1.2倍，可考慮在水泵出口可設置普通緩閉式止回閥，管道水錘防護在安全范圍內。

【關鍵詞】大型輸水管道 水錘計算 HAMMER軟件

1、項目概況

洪灣港片區位于珠海市南灣城區的西南部，緊鄰洪灣商貿物流中心及、保稅區，與橫琴新區隔馬騮洲水道相望，是珠海近年來重點開發建設區域。

珠海洪灣原水系統規模為80萬m3/d，主要對珠海主城區和澳門輸送原水，現狀以河道形式輸送。隨著洪灣片區的開發建設，為保障珠海、澳門兩地原水輸送安全，對原水系統進行改造，改造后原水采用管道形式輸送。

本工程管道規模為2-DN2000，全長4.6km，沿線敷設了11座緩閉式排氣閥，為保障原水供應安全，對該段大型輸水管道進行水錘防護計算。

水錘計算分析是采用HAMMER軟件完成的。HAMMER軟件使用特征線法，可動態模擬管道全部瞬變流現象，并可模擬多種的水錘保護設備和運行設備的影響。該軟件已在遼西北長距離引水工程、南水北調、引黃工程等國內工程中得到應用。

2、需要計算運行工況

水錘按外部成因，可分為啟動水錘、關閥水錘和停泵水錘三種，停泵水錘是由于水泵機組突然斷電而造成開閥停車時，泵站及管路系統中所發生的水錘現象。事故停泵工況引起的水力過渡過程通常是嚴重的。根據調查統計，在城市供水及工業企業的給水泵站中，大部分水錘事故都屬于停泵水錘。因此本次重點討論停泵水錘。

遠期規模80萬m3/d，單根管道過流能力為40m3/d，上游泵站斷電無防護措施，出口閥門拒動工況，考察系統最大反向流量和水泵最大反轉速。

3、系統參數確定

（1）輸水管線采用DN2000的鋼管，壁厚18mm；頂管管道壁厚20mm。

（2）管道水錘波速取值：經水錘計算軟件HAMMER提供的波速計算工具估算得到，采用DN2000鋼管，壁厚18mm，彈性模量207，000MPa，計算波速為1，029.46 m/s；頂管管道壁厚20mm，計算波速為1，057.13 m/s。

（3）水泵和電機的轉動慣量的估算。經水錘計算軟件HAMMER提供的水泵轉動慣量計算工具估算得到。本工程所選用的離心泵的Q=8340m?/h，H=18.0，電機功率取550KW，轉速1480rpm，水泵及電機的轉動慣量總和為32.382 kg.m2。

（4）管道阻力系數取值：鋼管n=0.012，管道局部阻力取沿程阻力的30%，折算成海曾威廉系數C=90。

（5）水中不含空氣氣泡，不含泥沙。

（6）有壓系統的水流為一元流，管壁和水體是線彈性的，即應力與應變成比例。

4、水錘計算分析

遠期規模80萬m3/d，單根管道過流能力為40m3/d，廣昌泵站斷電無防護措施，出口閥門拒動工況，考察系統最大反向流量和水泵最大反轉速。

該工況主要考察水泵的最大反向流量和反轉速，以及管線產生的極限水錘壓力。

如果無防水錘措施，水泵出口閥門拒動，停泵后系統的水錘壓力不明顯，整個管線多處存在負壓，但最大負壓為-1.53mH2O，不會危害管線的運行安全。反向流量不大，水泵在沒有任何閥門的情況下最大反轉速沒有超過額定轉速的1.2倍。因此，考慮在水泵出口可設置普通緩閉式止回閥。

5、結論

（1）由于水錘計算是一個十分復雜的過程，涉及的參數很多，各水力組件的邊界條件的設定對計算結果均有較大的影響。

（2）在泵站出水壓力管起端設置微阻液動緩閉止回閥，可有效防護水泵斷電水錘。

參考文獻：

[1] 張文勝，孫巍.長距離輸水管道工程設計中的水錘分析及應對策略[J].城鎮供水，2015，NO.3。

[2] 金錐，姜乃昌，汪興華編著.停泵水錘及其防護[M].北京：中國建筑工業出版社，2004。