張榮上

（廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610）

在泵站供水工程中，輸水管道破裂、機(jī)組振動(dòng)是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響泵站供水工程的正常運(yùn)作，甚至導(dǎo)致機(jī)組報(bào)廢。引起機(jī)組振動(dòng)、管道破裂的原因有很多，除了設(shè)備質(zhì)量、安裝質(zhì)量之外，機(jī)組的停泵水錘對(duì)管道和機(jī)組的安全影響尤為明顯[1]。在泵站設(shè)計(jì)階段，找出管路運(yùn)行的最不利的工況，減小水錘對(duì)管路造成不利影響則顯得尤為重要。本文以花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉工程為例，基于Bentley Hammer 軟件對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道瞬態(tài)水錘進(jìn)行分析計(jì)算。

1 工程概況

花都區(qū)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(qū)接壤，西南與三水及南?？h交界，西北與清遠(yuǎn)市相連，是廣州市北大門(mén)。炭步鎮(zhèn)位于花都市西南部，東與廣州白云區(qū)接壤，南臨南海市，西與三水市相連，地理環(huán)境優(yōu)越，水陸交通便利。

由于炭步鎮(zhèn)中洞水庫(kù)水量滲漏流失較為嚴(yán)重，造成其下游灌區(qū)水資源短缺，無(wú)法滿足灌區(qū)農(nóng)田的用水需求，為了提高花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增加廣大農(nóng)民群眾的收益，擬投資興建炭步鎮(zhèn)西部農(nóng)田灌溉工程。該工程位于花都區(qū)炭步鎮(zhèn)大渦村，擬在蘆苞涌左岸堤防外側(cè)新建一提水灌溉泵站，以滿足炭步鎮(zhèn)大渦村農(nóng)業(yè)發(fā)展的用水需求。

花都區(qū)炭步鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉工程擬建裝機(jī)2×132 kW 泵站一座，設(shè)計(jì)供水量0.96 m3/s，新建壓力管道1300 m，改造灌區(qū)渠道渠道5500 m，受益灌溉面積0.95 萬(wàn)畝。

2 工程模型

炭步鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉工程共設(shè)兩臺(tái)同型號(hào)混流泵，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程13.5 m，單泵設(shè)計(jì)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(zhǎng)度1300 m。工程平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖

圖2 模型縱斷面圖

根據(jù)工程平面布置圖建立節(jié)點(diǎn)模型，節(jié)點(diǎn)位置代表工程布置中的鎮(zhèn)墩。本模型共設(shè)置9 個(gè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩特性表見(jiàn)表1、壓力管道各段特性表見(jiàn)表2。

表1 鎮(zhèn)墩特性表

表2 壓力管道各段特性表

3 正常運(yùn)行工況管道壓力分析

通過(guò)圖1 及表1 可見(jiàn)，本工程管道平面和豎向轉(zhuǎn)角均為鈍角，屬于小角度轉(zhuǎn)折，對(duì)減少局部水頭損失是有利的。管道的縱向布置基本沿現(xiàn)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(shè)計(jì)的合理性，啟動(dòng)模型，模擬1#、2#泵正常抽水運(yùn)行的工況。正常運(yùn)行水力坡度見(jiàn)圖3。

圖3 管道正常工作壓力線

表3 1#、2# 泵正常運(yùn)行工況下水泵壓力及水頭

通過(guò)對(duì)管道正常工作壓力線的分析可知，正常運(yùn)行工況下，管道空氣容積為零，管道沒(méi)產(chǎn)生負(fù)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(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，水錘事故大部分是發(fā)生在停泵階段，因此停泵水錘分析對(duì)工程安全尤為重要。

本工程1#、2#泵獨(dú)立供水，每臺(tái)水泵均設(shè)置液控緩閉止回閥，保證兩臺(tái)泵的使用互不影響。因此本工程可能發(fā)生的停泵水錘有兩種工況，第一種情況是機(jī)械或線路故障導(dǎo)致的單臺(tái)水泵停機(jī)，第二種情況時(shí)線路故障導(dǎo)致的兩臺(tái)水泵同時(shí)停機(jī)。

（一）單泵停機(jī)

本工況模擬1#水泵停機(jī)，2#水泵正常運(yùn)行。1#泵停泵水錘包絡(luò)圖見(jiàn)圖4，2#泵運(yùn)行壓力線見(jiàn)圖5。

圖4 1# 泵停泵水錘包絡(luò)圖

圖5 2# 泵運(yùn)行水錘包絡(luò)圖

表4 1# 泵停機(jī)2# 泵運(yùn)行工況下水泵壓力及水頭

通過(guò)運(yùn)行單泵停機(jī)模型可知，1#泵停機(jī)后，最大壓力水頭14.54 m，最小水頭為5.82 m。1# 泵停機(jī)時(shí)2 號(hào)泵繼續(xù)運(yùn)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(méi)有停機(jī)，所以水泵出口位置最小工作壓力較大。同時(shí)1#泵的停泵水錘對(duì)2 號(hào)泵的運(yùn)行也產(chǎn)生了不利影響。本工況下，管路中空氣容積為零，管路中沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)壓。

（2）雙泵停機(jī)

本工況模擬1#、2# 水泵同時(shí)停機(jī)，1#（2#）水錘包絡(luò)圖見(jiàn)圖6。

圖6 1#（2#）泵停水錘包絡(luò)圖

表5 1#（2#）泵同時(shí)停泵工況下水泵壓力及水頭

通過(guò)運(yùn)行雙泵停機(jī)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(chǎn)生了負(fù)壓，未發(fā)生水柱斷裂現(xiàn)場(chǎng)。

5 不利工況處理

根據(jù)停泵水錘分析結(jié)果，最不利工況發(fā)生在兩臺(tái)水泵同時(shí)停機(jī)時(shí)，雖然未發(fā)生水柱斷裂現(xiàn)象，但是對(duì)管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有明顯的負(fù)面影響。本工程在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，在地形局部起伏較大的地勢(shì)較高點(diǎn)設(shè)置了排氣閥門(mén)來(lái)消減水錘波。管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)均針對(duì)管道沿線水錘壓力分布進(jìn)行了合理優(yōu)化，大大節(jié)約了工程投資。

工程于2015 年底竣工，2016 年初調(diào)試運(yùn)行，泵站已安全運(yùn)行三年，灌溉效果良好，受到當(dāng)?shù)厝罕姷暮迷u(píng)。工程的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和漁業(yè)的發(fā)展起到了非常積極的作用。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三種泵組運(yùn)行工況的模擬，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)本工程而言，單泵停機(jī)對(duì)管道工作壓力不大，但是會(huì)引起管路工作壓力波動(dòng)，同時(shí)對(duì)其他正在運(yùn)行的水泵產(chǎn)生不利影響。

（2）管道中的最大和最小工作壓力均發(fā)生在兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)停機(jī)時(shí)，在地形起伏較大位置，管路中產(chǎn)生負(fù)壓。雖然此時(shí)沒(méi)發(fā)生水柱斷裂現(xiàn)場(chǎng)，仍需要引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。

（3）根據(jù)對(duì)水泵不同運(yùn)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(shè)置止回閥是必要的。

（4）針對(duì)不利工況對(duì)管道及附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以保證工程安全，也可以節(jié)約工程投資。

（5）本工程雖然只模擬了兩臺(tái)水泵的三種運(yùn)行工況。但是對(duì)其他多臺(tái)水泵組成的泵組設(shè)計(jì)亦有一定的參考作用。