基于Bentley Hammer 的停泵水锤分析

2019-06-26张荣上

陕西水利 2019年5期

张荣上

（广东省水利水电科学研究院，广东广州 510610）

在泵站供水工程中，输水管道破裂、机组振动是比较常见的现象。这种现象严重影响泵站供水工程的正常运作，甚至导致机组报废。引起机组振动、管道破裂的原因有很多，除了设备质量、安装质量之外，机组的停泵水锤对管道和机组的安全影响尤为明显[1]。在泵站设计阶段，找出管路运行的最不利的工况，减小水锤对管路造成不利影响则显得尤为重要。本文以花都区炭步镇农田灌溉工程为例，基于Bentley Hammer 软件对长距离输水管道瞬态水锤进行分析计算。

1 工程概况

花都区位于广东省中南部、珠江三角洲北缘，东北与从化县为邻，东南与广州市白云区接壤，西南与三水及南海县交界，西北与清远市相连，是广州市北大门。炭步镇位于花都市西南部，东与广州白云区接壤，南临南海市，西与三水市相连，地理环境优越，水陆交通便利。

由于炭步镇中洞水库水量渗漏流失较为严重，造成其下游灌区水资源短缺，无法满足灌区农田的用水需求，为了提高花都区炭步镇农业经济效益，增加广大农民群众的收益，拟投资兴建炭步镇西部农田灌溉工程。该工程位于花都区炭步镇大涡村，拟在芦苞涌左岸堤防外侧新建一提水灌溉泵站，以满足炭步镇大涡村农业发展的用水需求。

花都区炭步镇农田灌溉工程拟建装机2×132 kW 泵站一座，设计供水量0.96 m3/s，新建压力管道1300 m，改造灌区渠道渠道5500 m，受益灌溉面积0.95 万亩。

2 工程模型

炭步镇农田灌溉工程共设两台同型号混流泵，水泵设计扬程13.5 m，单泵设计流量0.48 m3/s，总供水流量0.96 m3/s，输水干管采用L360 钢管，直径DN900，管道长度1300 m。工程平面布置图见图1。

图1 工程平面布置图

图2 模型纵断面图

根据工程平面布置图建立节点模型，节点位置代表工程布置中的镇墩。本模型共设置9 个镇墩，镇墩特性表见表1、压力管道各段特性表见表2。

表1 镇墩特性表

表2 压力管道各段特性表

3 正常运行工况管道压力分析

通过图1 及表1 可见，本工程管道平面和竖向转角均为钝角，属于小角度转折，对减少局部水头损失是有利的。管道的纵向布置基本沿现状地面下挖2.0 m 确定管道埋深。

采用压力输水的竖向布置管线，一般要求在不同输水工况下，位于输水压力线以下。

为了检查管线纵向设计的合理性，启动模型，模拟1#、2#泵正常抽水运行的工况。正常运行水力坡度见图3。

图3 管道正常工作压力线

表3 1#、2# 泵正常运行工况下水泵压力及水头

通过对管道正常工作压力线的分析可知，正常运行工况下，管道空气容积为零，管道没产生负压。管道纵向布置是合理的，管道正常工作最大水头为14.54 m。

4 停泵水锤分析

根据调查统计，水锤事故大部分是发生在停泵阶段，因此停泵水锤分析对工程安全尤为重要。

本工程1#、2#泵独立供水，每台水泵均设置液控缓闭止回阀，保证两台泵的使用互不影响。因此本工程可能发生的停泵水锤有两种工况，第一种情况是机械或线路故障导致的单台水泵停机，第二种情况时线路故障导致的两台水泵同时停机。

（一）单泵停机

本工况模拟1#水泵停机，2#水泵正常运行。1#泵停泵水锤包络图见图4，2#泵运行压力线见图5。

图4 1# 泵停泵水锤包络图

图5 2# 泵运行水锤包络图

表4 1# 泵停机2# 泵运行工况下水泵压力及水头

通过运行单泵停机模型可知，1#泵停机后，最大压力水头14.54 m，最小水头为5.82 m。1# 泵停机时2 号泵继续运行，最大压力水头14.54 m，最小水头7.71 m。1# 泵出口处（P-2：PMP-1）和2# 泵出口处（P-4：PMP-2）最小工作压力有明显差异。由于2#泵没有停机，所以水泵出口位置最小工作压力较大。同时1#泵的停泵水锤对2 号泵的运行也产生了不利影响。本工况下，管路中空气容积为零，管路中没有产生负压。

（2）双泵停机

本工况模拟1#、2# 水泵同时停机，1#（2#）水锤包络图见图6。