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        基于Bentley Hammer 的停泵水錘分析

        2019-06-26 06:27:30張榮上
        陜西水利 2019年5期
        關(guān)鍵詞:水錘停機(jī)水頭

        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。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??諝馊莘e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。

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