工程介绍：水泵和输水管道设计参数简述

6.3.1.1　工程概况

为解决某电厂用水，将井下排水收集、储存于有效容积1.0万m3水池（位于后山），经泵站加压后，通过DN300供水管输送至电厂。加压泵房将蓄存的水加压后通过输水管道送至集团南侧的空地加以蓄存。泵房安装3台水泵（2用1备），用以满足电厂的用水量。加压泵站的启动与关停由蓄水调节池液位控制。

输水系统分为两段，第一段：从加压泵房至山顶采用一次加压，管道采用DN350无缝钢管。第二段：从山顶至工业区采用DN350钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管。由于只研究泵站的水锤防护，第二段属于重力自流，所以只对第一段升压管段的水锤问题进行研究。

6.3.1.2　工程基本数据

水池水位及水泵扬程

水池最低水位：1497.20m；水池最高水位：1503.70m。

水泵出口中心高程：1503.00m；输水管道最高点高程：1656.48m；最小设计静扬程：155.8m；最大设计静扬程：162.3m。

水泵机组

额定流量：180m3/h

额定扬程：190m

额定转速：2900r/min

额定效率：68.45%

电机功率：250kW

转动惯量电机：3.56kg·m2

输水管道

输水管道长度约为7.4km，采用DN300无缝钢管，承压能力1.6MPa，弹性模量2.07×108kPa。

6.3.1.3　稳态分析(www.xing528.com)

根据工程数据建立泵送管路系统模型，对水池进出口参数、水泵参数、节点高程、管道长度、管道材料进行设置，进行稳态计算。模拟工况为单泵运行工况，流量为223m3/h，扬程168m，流速0.9m/s，水头损失2.755m/km。模拟结果如图6.5所示。

图6.5　稳态模拟结果

由图可知管道中有多个驼峰，这些位置容易发生断流弥合水锤并造成巨大破坏，断流弥合水锤防护工作是管道水锤防护中最重要的。

6.3.1.4　无防护停泵水锤计算

模拟计算按最不利的停泵情况进行，即突然停电或者所有正常运行水泵同时出现故障停止运行，且不使用任何水锤防护措施，这两种情况引发的停泵水锤事故对水泵机组及管道所造成的危害最大[6]。设定稳定运行3秒后水泵突然断电停止工作，总模拟时间300秒，进行停泵水锤模拟计算。模拟结果如图6.6～6.9所示。

图6.6上部小图中的红色线条表示管道内产生的空气或蒸汽的体积。图下方大图中红色线表示的是最高水头包络线，蓝色的线是最小水头包络线，绿色的线表示的是管道轴线，即反映的是管道每一节点的高程。黑色的线表示稳态时的水头包络线。图6.7中红色线条表示管内最大压力值，蓝色线条表示管道内最小压力值，绿色线条表示正常运行时管道内的压力。图6.8表示突然停泵后水泵后节点的流量变化。图6.9表示停泵后水泵的转速变化。

图6.6　无水锤防护模拟结果

图6.7　无水锤防护管道压力

由模拟结果数据可知，在断电停泵事故发生后，管道升压明显，管道内水锤最大压力为2267kPa，水泵出口压力为1646kPa，不符合《泵站设计规范》[7]规定最大水锤压力小于水泵出口压力的1.3倍的要求。管道中出现大段负压管段，超过负压下限-8m水柱，最大负压值可达到-10m水柱，发生汽化，在管道驼峰处产生了0.528m3蒸汽空腔，水柱被拉断，其形成的断流弥合水锤会对管道的安全造成巨大威胁，因此必须考虑消除负压。水泵在稳定运行3s后断电，流量和转速开始迅速下降，管道在5s左右时流量将为0，水流方向发生改变，水泵在9s左右开始反转，反转转速最大达到3317r/min，会对水泵造成损害。综上所述，无防护情况下突然停泵，管道内产生具有破坏性的水锤升压和产生具有诱发断流空腔再弥合水锤发生的管道负压，需要采取一定的水锤防护措施来保证输水管道的安全运行。

图6.8　无水锤防护水泵后流量变化

图6.9　无水锤防护水泵转速变化