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。本文以花都區炭步鎮農田灌溉工程為例，基于Bentley Hammer 軟件對長距離輸水管道瞬態水錘進行分析計算。

1 工程概況

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

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

花都區炭步鎮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，改造灌區渠道渠道5500 m，受益灌溉面積0.95 萬畝。

2 工程模型

炭步鎮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點模型，節點位置代表工程布置中的鎮墩。本模型共設置9 個鎮墩，鎮墩特性表見表1、壓力管道各段特性表見表2。

表1 鎮墩特性表

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。空氣容積為零，管路中產生了負壓，未發生水柱斷裂現場。

5 不利工況處理

根據停泵水錘分析結果，最不利工況發生在兩臺水泵同時停機時，雖然未發生水柱斷裂現象，但是對管道結構穩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。管道結構設計和鎮墩設計均針對管道沿線水錘壓力分布進行了合理優化，大大節約了工程投資。

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和漁業的發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化設計不僅可以保證工程安全，也可以節約工程投資。

（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。