停泵水錘及其防護(hù)措施

停泵水錘及其防護(hù)措施張雷【摘要】摘要：本文介紹了水錘現(xiàn)象中最為嚴(yán)重的停泵水錘的概念，造成突然停泵的原因及其停泵水錘的主要特點(diǎn)和危害。針對(duì)停泵水錘現(xiàn)象，還重點(diǎn)介紹了一些具體的防護(hù)措施以消除停泵水錘現(xiàn)象及應(yīng)注意的事項(xiàng)。【期刊名稱】四川水泥【年(卷)，期】2015(000)010【總頁(yè)數(shù)】2【關(guān)鍵詞】水錘；停泵水錘；防護(hù)措施1.水錘基本概念液體在管道輸送中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水錘。水錘也稱水擊，是壓力管道中由于水流速度發(fā)生驟然變化而引起壓力變化的一種水力過(guò)渡現(xiàn)象，也稱瞬變流。即在壓力管道中，當(dāng)水流因某種原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時(shí)，由于流體的慣性作用而引起管道內(nèi)液體的壓力升高或降低。這種改變可能是正常的流量調(diào)節(jié)，或者是事故而使流量堵截，從而使該處壓力產(chǎn)生一個(gè)突然的躍升或下跌，這個(gè)壓力的瞬變波稱為水錘。如圖1-1所示：有一水位不變水深為H0的水箱，通過(guò)管道輸水，穩(wěn)態(tài)時(shí)閥門全開，如忽略沿程和局部阻力，水力坡度線為HGL，管中流速為V0，倘若由于某種原因閥門突然瞬間關(guān)閉，則A點(diǎn)流速突然滯止為零，則在閥前A點(diǎn)出現(xiàn)突然的壓力升高，稱為正水錘或正壓波，而在閥后B點(diǎn)出現(xiàn)突然的壓力降低，稱為負(fù)水錘或負(fù)壓波。水錘壓力以HA表示，并以波的形式，以波速a向全管傳播，壓力波所到之處，均在基礎(chǔ)壓力上疊加一個(gè)H△，按照水錘理論，若關(guān)閥時(shí)間T0小于2L/a,這時(shí)產(chǎn)生的水錘最大，稱它為直接水錘，其計(jì)算公式如下：其中，a為水錘波傳播的速度，它與液體介質(zhì)持件、管材和管道幾何尺寸有關(guān);g為重力加速度；VA是由閥門關(guān)閉引起管內(nèi)速度的變化。一般鋼管a大約在1000m/s左右，若管內(nèi)流速為3~4m/s。則突然關(guān)閥引起的水錘壓力約為(30-40)X105N/m2，并以每秒一公里左右的速度傳至全管，這時(shí)如果管中某處有缺陷，或管道強(qiáng)度和設(shè)備強(qiáng)度不夠，便可能發(fā)生水錘爆管和設(shè)備損壞事改。這種事故在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)該加以分析和考慮，要力求避免。2.停泵水錘2.1停泵水錘概念管路中的水錘多與泵的啟動(dòng)、停泵以及和泵連在一起的閥門的開閉有關(guān)，尤其是和事故停泵有關(guān)。離心泵本身供水均勻，正常運(yùn)行時(shí)在水泵和管路系統(tǒng)中不產(chǎn)生水錘危害。一般的水泵操作規(guī)程規(guī)定，在停泵前需將壓力管路上閥門逐步關(guān)閉，使管內(nèi)流速緩慢降低，因而停泵時(shí)不會(huì)引起水錘。停泵水錘是水錘現(xiàn)象中的一種，是指水泵機(jī)組因突然斷電或其他原因而造成的開閥狀態(tài)下突然停車時(shí)，在水泵及管路系統(tǒng)中，因流速突然變化而引起的一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象。一般情況下停泵水錘最為嚴(yán)重，其對(duì)泵房和管路的安全有極大的威脅，國(guó)內(nèi)有幾座水泵房曾發(fā)生停泵水錘而導(dǎo)致泵房淹沒(méi)或管路破裂的重大事故。2.2突然停泵的原因泵站工作人員失誤操作、夕卜電網(wǎng)事故跳閘以及自然災(zāi)害(大風(fēng)、雷擊、地震)等原因均可能導(dǎo)致水泵機(jī)組突然斷電，此時(shí)在泵站及管路系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生水錘現(xiàn)象。產(chǎn)生突然停泵的原因可能有：（1） 由于電力系統(tǒng)或電器設(shè)備突然發(fā)生故障，人為的操作錯(cuò)誤等致使電力供應(yīng)突然中斷。（2） 雨天雷電引起突然斷電。（3） 水泵機(jī)組突然發(fā)生機(jī)械故障，如聯(lián)軸器斷開或水泵密封環(huán)被〃咬”住，以致水泵轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生困難而使電機(jī)超載，由于保護(hù)裝置的作用馬上將電機(jī)切除。（4） 在自動(dòng)化泵站中，由于維護(hù)管理不善，也能致使機(jī)組突然斷電。（5）對(duì)中、小型水泵為了簡(jiǎn)化自動(dòng)控制，而采取開閘開、停車。2.3停泵水錘的主要特點(diǎn)停泵水錘的主要特點(diǎn)是：突然停電（泵）后，水泵工作特性開始進(jìn)入水力暫態(tài)（過(guò)渡）過(guò)程，其第I階段為水泵工況階段。在此階段中，由于停電主驅(qū)動(dòng)力矩消失，機(jī)組失去正常運(yùn)行時(shí)的力矩平衡狀態(tài)由于慣性作用仍繼續(xù)正轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速降低（機(jī)組慣性大時(shí)降得慢，反之則降得快）。機(jī)組轉(zhuǎn)速的突然減少導(dǎo)致流量減少和壓力降低，所以先在泵站處產(chǎn)生壓力降低。這點(diǎn)和關(guān)閥水錘顯然不同。此壓力降以波（直接波或初生波）的方式由泵站及管路首端向末端的高位水池傳播，并在高位水池處引起升壓波（反射波），此反射波由水池向管路首端及泵站傳播。2.4停泵水錘的危害泵的作用有兩點(diǎn)：（1）主要是克服重力，把液體泵向高位處；（2）主要是克服摩擦力，遠(yuǎn)距離輸運(yùn)液體。當(dāng)突然停泵時(shí)，對(duì)第一種情況就會(huì)產(chǎn)生液體倒流，如果沒(méi)有止回閥裝在泵后，倒流的液體將使水泵飛逸反轉(zhuǎn)，在泵內(nèi)產(chǎn)生高壓，嚴(yán)重時(shí)破壞泵的結(jié)構(gòu)，而對(duì)第二種情況，有可能使吸水管中壓頭升高，輸水管中產(chǎn)生低壓，造成液柱分離，這也會(huì)引起管路的破壞。2.5停泵水錘防護(hù)措施縱觀所有水錘防護(hù)裝置與設(shè)備，都有一個(gè)共同的要素（目的），即試圖降低泵管系統(tǒng)中流速變化（下降）的梯度。泵系統(tǒng)中停泵水錘這一水力過(guò)渡過(guò)程是由降壓開始的。因此，目前已有多種防護(hù)措施來(lái)解決這類由降壓波的發(fā)生與傳播開始的水錘升壓?jiǎn)栴}，其出發(fā)點(diǎn)多數(shù)是建立在對(duì)停泵水錘危害的早期防治上并大致可歸納為四種類型：一、注水（補(bǔ)水）或注空氣（緩沖）穩(wěn)壓，從而控制住系統(tǒng)中的水錘壓力振蕩，防止了真空和斷流空腔再?gòu)浐纤N過(guò)高的升壓。屬于這種類型的有單向調(diào)壓塔（ONE-WAYSURGETANK）或單向調(diào)壓（水）池、空氣罐、注空氣（緩沖）閥以及（雙向）調(diào)壓塔等。（1） 雙向調(diào)壓塔：在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高于輸水管道終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(bǔ)水或泄掉管路中的過(guò)高壓力，從而有效地避免或降低水錘壓力。（2） 單向調(diào)壓塔：在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時(shí)，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。（3） 氣壓罐：國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)不多，在國(guó)夕卜使用較廣泛。它利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化氣壓罐向管道補(bǔ)水或吸收管路中的過(guò)高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似。二、 合理選擇閥門種類，延長(zhǎng)其啟閉歷時(shí)——進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)與控制閥門緩慢地關(guān)閉和開啟，可減小輸水干管中流速的變化率——梯度，從而可以減小水錘壓力的升高和降低。為此，可選用（對(duì)較重要的泵系統(tǒng)，必須進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬和方案比較）兩階段關(guān)閉的可控閥（如蝶閥）或各種形式的緩閉止回閥。三、 泄水降壓，避免壓力陡升。屬于這種類型的有停泵水錘消除器、防爆膜、設(shè)置旁通管以及取消止回閥等。（1） 水錘消除器：80年代以前曾經(jīng)廣為采用。它安裝于止回閥附近，管道中的水錘壓力通過(guò)開啟的水錘消除器泄掉。（2） 緩閉止回閥是止回閥的一種，它通過(guò)緩閉的形式來(lái)消除水錘，形式很多，簡(jiǎn)易可行，獲得了較為普遍的應(yīng)用。（3） 爆破膜片類似于電路上安裝保險(xiǎn)絲，當(dāng)管路中由于水錘升壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，膜片自動(dòng)破裂，水流外泄，起到泄水降壓的消除水錘效果。2.6注意事項(xiàng)另外，在選擇停泵水錘的防護(hù)措施時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1） 所選用的防護(hù)措施，應(yīng)與所出泵站及管路系統(tǒng)的規(guī)模、作用、對(duì)安全性的要求及技術(shù)（管理）水平相適應(yīng),并盡可能選擇技術(shù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、管理維修方便的防護(hù)措施。（2） 在有可能產(chǎn)生水錘危害的情況下，應(yīng)早期防治。如在泵站及管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管材走向的選定、水泵機(jī)組和管材的選用以及管內(nèi)流速的確定等方面，都應(yīng)考慮采取消除或減輕水錘危害的措施。⑶根據(jù)具體情況,盡可能采用綜合性防范措施（幾種措施同時(shí)采用），以提高防護(hù)功能的安全可靠性。對(duì)防護(hù)措施的管理維護(hù)及操作等方面的要求，應(yīng)給予足夠的重視，國(guó)內(nèi)不少重大泵站停泵水錘事故，都是由于對(duì)防護(hù)設(shè)備維修不善或失誤操作造成的。⑸防護(hù)措施的選擇，必須與停泵水錘精確計(jì)算及相互分析相配合，同時(shí)進(jìn)行。(6)防護(hù)措施必須技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)適用。3.結(jié)束語(yǔ)水錘現(xiàn)象具有極大的破壞性，一般情況下水錘現(xiàn)象中最嚴(yán)重的是停泵水錘現(xiàn)象。停泵水錘可能導(dǎo)致泵站和輸水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故，應(yīng)根據(jù)具體情況采取補(bǔ)水(注氣)穩(wěn)壓、泄水降壓以及其他相應(yīng)的措施來(lái)消除停泵水錘或消減水錘壓力。參考文獻(xiàn)：羅偉，陳堅(jiān).停泵水錘的簡(jiǎn)易算法[J].排灌機(jī)械，2005,23(2):16~19.王剛.淺談停泵水錘的危害及防護(hù)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007,17(31):235-236.羅偉.停泵水錘的簡(jiǎn)易算法及