转动惯量对停泵水锤计算的影响分析

杨 宇

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110001）

转动惯量对停泵水锤计算的影响分析

杨 宇

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110001）

大伙房水库输水应急入连工程是大伙房水库供水工程的一个分支，该分支设有2级加压泵站，分支距离长、流量大、扬程高。本文选择该分支中2级泵站至下游无压洞进口为对象，运用bentleyhammer软件对该部分工程建立模型，进行水锤防护计算，通过对停泵水锤与水泵转动惯量原理的理解分析，计算不同水泵的转动惯量对水锤防护计算的影响。

应急入连；bentleyhammer；停泵水锤；转动惯量

1 工程基础数据

大伙房水库输水应急入连工程是大伙房输水工程的一个分支，该分支从鞍山加压站加压供水，由1根DN2800的PCCP管送至盖州加压泵站前池，再由盖州泵站加压送至下游无压洞，由无压洞送至碧流河水库。水锤波在盖州加压泵站前池与无压洞截断将该支线分为独立的3部分，本文只针对盖州泵站至无压洞这一段进行水锤计算分析。

盖州加压泵站从吸水前池吸水。吸水前池水位为46m。泵站设水泵6台（4用2备）。其中2台变频调速水泵，4台恒定水泵。水泵额定流量为9375m3/h，扬程为106.12m。最高日流量为90万m3，水泵转动惯量为320kg·m2。

盖州加压泵站平面布置示意图如图1所示。

盖州加压泵站至无压洞入口管线全长730m，管材为钢管，工作压力为1.20MPa，试验压力为1.7MPa。

该段管线铺设地势由低到高，海拔高程差值大，水泵扬程高，水锤计算分析主要针对泵站突然发生掉电事故停泵后的泵站安全防护，管线正压不超过管线试验压力1.7MPa、负压不超过-0.03MPa。

2 停泵水锤原理

对于使用水泵加压的有压输水系统，泵站掉电而发生的突然停泵是该类系统水锤防护计算的最不利工况。因为在水泵正常运行时，管路的压力和流量是稳定的，可突然停泵，泵出口压力骤然消失，受水泵下游水压的影响，水流会急速的回流，导致水泵倒转，管路系统中因水回流导致水柱拉断，产生严重的断流弥合水锤，此时正负压会在断流水柱处交替变化，极端工况下便会发生爆管淹没管路周围的地方，并且如果水泵长时间倒转转速超过额定转速的1.2倍，水泵也会遭到破坏，因爆管产生的经济损失和安全问题是不容忽视的，这也是水锤防护计算必须要解决的问题。

图1 盖州加压泵站平面布置示意图

通过对停泵水锤的分析可知，在突然停泵后，水泵叶轮在惯性作用下转速会从额定转速逐渐变为0，然后受下游水体重力的影响，再从0转速变为倒转，这个变化的过程越快，水流回流的速度就越大，产生水柱拉断的情况就会越明显。由此可知要减小停泵水锤的危害，关键是需要延长水泵转速变化的时间。通常采用的方法有泵后止回阀2阶段关闭，只是作用有限，对于很多高扬程、大流量的输水系统并没有很好的防护效果。

由停泵水锤的原理分析可知，要延长水泵转速改变的时间，增加转动惯量也是可行的。转动惯量反应转动刚体的惯性大小，它是刚体绕定轴转动时惯性的度量，如同刚体做平动时质量是其惯性的度量一样。计算公式如下：

式中：J—刚体对转轴的转动惯量，kg·m2；mi—刚体任一点质量，kg；ri—刚体任一点与转轴的距离，m。

在转矩一定的情况下，转动惯量越大，越不容易使刚体转动或改变他的转动状态，由此分析推断增加水泵的转动惯量可以使水泵在突然停泵时减缓水泵转速减小的时间，保持水力过渡过程的稳定，对于水锤防护有积极作用。

实际工程中水泵转动惯量是由水泵、电机和必要时需要增加的惯性飞轮3部分组成。

3 运用bentleyhammer软件计算各转动惯量下的停泵水锤

Hammer软件是目前市场上较为成熟的水锤计算软件之一，对输水系统常见的各类元件的边界条件计算方法建模，如水泵、阀门、多种形式的空气阀，调压塔、稳压管等，用户可以通过管线的坐标、高程直接建立输水管线模型，加上工程实际使用的各类设备元件，并输入本工程的相关数据，进行水力过渡过程模拟计算。本文按照应急入连分支的具体情况，建立输水管线，在管线各个相应位置选择水泵、阀门等设备，输入实际工程的特性参数，即完成了建模，接下来可以进行水力过渡计算。

运用hammer软件首先计算发生突然停泵，水泵原转动惯量320kg·m2，泵后设置缓闭止回阀，止回阀2s快关80%，32s全部关闭，计算结果如图2所示。

图2 水泵为原转动惯量的管线水力包络线

通过水力过渡计算，结果显示该种工况下管线的正压升压不高，最大正压为138.2m，满足管线试验压力，但是泵前管线出现一定负压，最大负压为-3.4m，泵后末端管线也有大量负压产生，最大负压为-3.6m，不满足管线的安全要求。

接着计算发生突然停泵，其余条件不变，只将水泵转动惯量提高为1.2倍原转动惯量即384kg· m2，计算结果如图3所示。

图3 水泵转动惯量提高为原转动惯量的1.2倍时的管线水力包络线

图4 水泵转动惯量提高为原转动惯量的2倍时的管线水力包络线

通过水力过渡计算，结果显示该种工况下管线正压、负压都有了一定程度的减少，最大负压为-2.7m，最大正压为133.7m，均满足管线的安全要求。

进一步增加转动惯量后，计算发生突然停泵，其余条件不变，将水泵转动惯量进一步提高为原转动惯量的2倍即640kg·m2，计算结果如图4所示。

计算结果显示增加到2倍转动惯量的水锤防护效果更加明显。管线负压全部消除，最大正压为120m，满足管线的安全要求。

4 结论

通过理论与实际工程计算分析，增加转动惯量在停泵水锤防护上有积极作用。随着转动惯量的逐步增加，突然停泵后水泵转速减小到0的时间在逐渐延长，水力过渡过程也更加稳定。

但是需要注意的是增加水泵转动惯量，水泵造价也会相应增加，并且水泵的起泵功率也会有所增加，需核算电机容量能否满足起泵负荷要求，并且转动惯量增加到一定程度后对水锤防护的帮助有限，因此水泵转动惯量并不能无限扩大，但毋庸置疑的是通过增加一定的转动惯量可以减少其他防护措施的容积与数量。

总之在长距离输水工程的实际应用中，适当增加水泵转动惯量因其不需增加额外的占地与设备显然是一个比较方便可行的水锤防护措施。具体实施时需针对实际工程情况详细计算后通过比较得出经济合理的防护措施。

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TU991.39

A

1672-2469（2015）12-0063-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.023

杨 宇（1981年—），女，硕士研究生。