楊 宇

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110001）

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)停泵水錘計(jì)算的影響分析

楊 宇

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110001）

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程是大伙房水庫(kù)供水工程的一個(gè)分支，該分支設(shè)有2級(jí)加壓泵站，分支距離長(zhǎng)、流量大、揚(yáng)程高。本文選擇該分支中2級(jí)泵站至下游無(wú)壓洞進(jìn)口為對(duì)象，運(yùn)用bentleyhammer軟件對(duì)該部分工程建立模型，進(jìn)行水錘防護(hù)計(jì)算，通過(guò)對(duì)停泵水錘與水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原理的理解分析，計(jì)算不同水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)水錘防護(hù)計(jì)算的影響。

應(yīng)急入連；bentleyhammer；停泵水錘；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

1 工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

大伙房水庫(kù)輸水應(yīng)急入連工程是大伙房輸水工程的一個(gè)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(wú)壓洞，由無(wú)壓洞送至碧流河水庫(kù)。水錘波在蓋州加壓泵站前池與無(wú)壓洞截?cái)鄬⒃撝Ь€分為獨(dú)立的3部分，本文只針對(duì)蓋州泵站至無(wú)壓洞這一段進(jìn)行水錘計(jì)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(shè)水泵6臺(tái)（4用2備）。其中2臺(tái)變頻調(diào)速水泵，4臺(tái)恒定水泵。水泵額定流量為9375m3/h，揚(yáng)程為106.12m。最高日流量為90萬(wàn)m3，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)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(wú)壓洞入口管線全長(zhǎng)730m，管材為鋼管，工作壓力為1.20MPa，試驗(yàn)壓力為1.7MPa。

該段管線鋪設(shè)地勢(shì)由低到高，海拔高程差值大，水泵揚(yáng)程高，水錘計(jì)算分析主要針對(duì)泵站突然發(fā)生掉電事故停泵后的泵站安全防護(hù)，管線正壓不超過(guò)管線試驗(yàn)壓力1.7MPa、負(fù)壓不超過(guò)-0.03MPa。

2 停泵水錘原理

對(duì)于使用水泵加壓的有壓輸水系統(tǒng)，泵站掉電而發(fā)生的突然停泵是該類系統(tǒng)水錘防護(hù)計(jì)算的最不利工況。因?yàn)樵谒谜＿\(yùn)行時(shí)，管路的壓力和流量是穩(wěn)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(huì)急速的回流，導(dǎo)致水泵倒轉(zhuǎn)，管路系統(tǒng)中因水回流導(dǎo)致水柱拉斷，產(chǎn)生嚴(yán)重的斷流彌合水錘，此時(shí)正負(fù)壓會(huì)在斷流水柱處交替變化，極端工況下便會(huì)發(fā)生爆管淹沒管路周圍的地方，并且如果水泵長(zhǎng)時(shí)間倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，水泵也會(huì)遭到破壞，因爆管產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題是不容忽視的，這也是水錘防護(hù)計(jì)算必須要解決的問(wèn)題。

圖1 蓋州加壓泵站平面布置示意圖

通過(guò)對(duì)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(zhuǎn)速會(huì)從額定轉(zhuǎn)速逐漸變?yōu)?，然后受下游水體重力的影響，再?gòu)?轉(zhuǎn)速變?yōu)榈罐D(zhuǎn)，這個(gè)變化的過(guò)程越快，水流回流的速度就越大，產(chǎn)生水柱拉斷的情況就會(huì)越明顯。由此可知要減小停泵水錘的危害，關(guān)鍵是需要延長(zhǎng)水泵轉(zhuǎn)速變化的時(shí)間。通常采用的方法有泵后止回閥2階段關(guān)閉，只是作用有限，對(duì)于很多高揚(yáng)程、大流量的輸水系統(tǒng)并沒有很好的防護(hù)效果。

由停泵水錘的原理分析可知，要延長(zhǎng)水泵轉(zhuǎn)速改變的時(shí)間，增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也是可行的。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的慣性大小，它是剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的度量，如同剛體做平動(dòng)時(shí)質(zhì)量是其慣性的度量一樣。計(jì)算公式如下：

式中：J—?jiǎng)傮w對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；mi—?jiǎng)傮w任一點(diǎn)質(zhì)量，kg；ri—?jiǎng)傮w任一點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸的距離，m。

在轉(zhuǎn)矩一定的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，越不容易使剛體轉(zhuǎn)動(dòng)或改變他的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，由此分析推斷增加水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以使水泵在突然停泵時(shí)減緩水泵轉(zhuǎn)速減小的時(shí)間，保持水力過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定，對(duì)于水錘防護(hù)有積極作用。

實(shí)際工程中水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是由水泵、電機(jī)和必要時(shí)需要增加的慣性飛輪3部分組成。

3 運(yùn)用bentleyhammer軟件計(jì)算各轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的停泵水錘

Hammer軟件是目前市場(chǎng)上較為成熟的水錘計(jì)算軟件之一，對(duì)輸水系統(tǒng)常見的各類元件的邊界條件計(jì)算方法建模，如水泵、閥門、多種形式的空氣閥，調(diào)壓塔、穩(wěn)壓管等，用戶可以通過(guò)管線的坐標(biāo)、高程直接建立輸水管線模型，加上工程實(shí)際使用的各類設(shè)備元件，并輸入本工程的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程模擬計(jì)算。本文按照應(yīng)急入連分支的具體情況，建立輸水管線，在管線各個(gè)相應(yīng)位置選擇水泵、閥門等設(shè)備，輸入實(shí)際工程的特性參數(shù)，即完成了建模，接下來(lái)可以進(jìn)行水力過(guò)渡計(jì)算。

運(yùn)用hammer軟件首先計(jì)算發(fā)生突然停泵，水泵原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量320kg·m2，泵后設(shè)置緩閉止回閥，止回閥2s快關(guān)80%，32s全部關(guān)閉，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泵為原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的管線水力包絡(luò)線

通過(guò)水力過(guò)渡計(jì)算，結(jié)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(yàn)壓力，但是泵前管線出現(xiàn)一定負(fù)壓，最大負(fù)壓為-3.4m，泵后末端管線也有大量負(fù)壓產(chǎn)生，最大負(fù)壓為-3.6m，不滿足管線的安全要求。

接著計(jì)算發(fā)生突然停泵，其余條件不變，只將水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高為1.2倍原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即384kg· m2，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高為原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1.2倍時(shí)的管線水力包絡(luò)線

圖4 水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高為原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的2倍時(shí)的管線水力包絡(luò)線

通過(guò)水力過(guò)渡計(jì)算，結(jié)果顯示該種工況下管線正壓、負(fù)壓都有了一定程度的減少，最大負(fù)壓為-2.7m，最大正壓為133.7m，均滿足管線的安全要求。

進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后，計(jì)算發(fā)生突然停泵，其余條件不變，將水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)一步提高為原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的2倍即640kg·m2，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示增加到2倍轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的水錘防護(hù)效果更加明顯。管線負(fù)壓全部消除，最大正壓為120m，滿足管線的安全要求。

4 結(jié)論

通過(guò)理論與實(shí)際工程計(jì)算分析，增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在停泵水錘防護(hù)上有積極作用。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的逐步增加，突然停泵后水泵轉(zhuǎn)速減小到0的時(shí)間在逐漸延長(zhǎng)，水力過(guò)渡過(guò)程也更加穩(wěn)定。

但是需要注意的是增加水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，水泵造價(jià)也會(huì)相應(yīng)增加，并且水泵的起泵功率也會(huì)有所增加，需核算電機(jī)容量能否滿足起泵負(fù)荷要求，并且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加到一定程度后對(duì)水錘防護(hù)的幫助有限，因此水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并不能無(wú)限擴(kuò)大，但毋庸置疑的是通過(guò)增加一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少其他防護(hù)措施的容積與數(shù)量。

總之在長(zhǎng)距離輸水工程的實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)增加水泵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因其不需增加額外的占地與設(shè)備顯然是一個(gè)比較方便可行的水錘防護(hù)措施。具體實(shí)施時(shí)需針對(duì)實(shí)際工程情況詳細(xì)計(jì)算后通過(guò)比較得出經(jīng)濟(jì)合理的防護(hù)措施。

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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。