如何防止輸水管道工程水錘

摘要：介紹了輸水管道輸送水的過程中引起水錘的幾種原因，以及產(chǎn)生水錘的初步分析計算，以便進(jìn)行泵殼、管道、支墩的強(qiáng)度計算，以及選配管道、閥件，復(fù)核管道的穩(wěn)定性，選擇水泵出口閥門型式、關(guān)閥程序。后提出幾種防護(hù)措施供選擇，以消除輸水過程中水錘造成的破壞。
關(guān)鍵詞：輸水管道；水錘；防護(hù)設(shè)計
水錘又稱水擊。水(或其他液體)輸送過程中，由于閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停車、驟然啟閉導(dǎo)葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度波動的現(xiàn)象。長距離輸水工程應(yīng)進(jìn)行必要的水錘分析計算，并對管路系統(tǒng)采取水錘綜合防護(hù)計算，根據(jù)管道縱向布置、管徑、設(shè)計水量、功能要求，確定空氣閥的數(shù)量、型式、口徑。

  隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,人們對水的需求日益增長,為了解決日趨尖銳的水資源供需矛盾,越來越多的城市開始興建長距離的大型輸水工程。為了保證供水系統(tǒng)的運(yùn)行安全,防止系統(tǒng)中發(fā)生瞬變流現(xiàn)象而導(dǎo)致水錘事故,需對供水系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真的水錘分析、預(yù)測和模擬各種工況下水錘的發(fā)生和傳播規(guī)律。根據(jù)輸水系統(tǒng)的實際特點(diǎn),設(shè)計合理、有效、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施。 在長距離輸水管線中,尤以高揚(yáng)程、多起伏管道水錘防護(hù)難度大,發(fā)生水錘事故多。因此,實際工程更需要這方面的技術(shù),本研究專為此進(jìn)行了探索。

1、闡述了氣、水兩相流在輸水管道中的各種流態(tài),以及流態(tài)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,并對氣液兩相流的各種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了總結(jié)。據(jù)此對管道排氣技術(shù)提出了要求。

2、闡述管道中的氣體來源和存氣部位,分析比較了各種排氣閥的工作原理、性能和優(yōu)缺點(diǎn),為工程中排氣閥的選擇提供了依據(jù)。

3、對高揚(yáng)程、多起伏的長距離輸水管道的水錘防護(hù)措施進(jìn)行了說明;并對管線防護(hù)中的斷流水錘進(jìn)行了分析,依據(jù)斷流空腔內(nèi)的介質(zhì)以及彌合的方式對斷流彌合水錘進(jìn)行了分類及彌合升壓分析。根據(jù)工程實際對高揚(yáng)程、多起伏的管道系統(tǒng)提出了防護(hù)方案的選擇步驟。

4、建立了水錘計算的基本數(shù)學(xué)模型,并給出了高揚(yáng)程、多起伏的管路系統(tǒng)中的各類邊界條件的計算公式及應(yīng)用條件,對現(xiàn)用的排氣閥邊界條件進(jìn)行了修正。

5、分別以榆林和大連兩條輸水管線為例進(jìn)行了水錘防護(hù)優(yōu)化。通過計算對各種斷流防護(hù)措施進(jìn)行了比較,對水泵的關(guān)閉和運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。通過計算驗證了不同性能的排氣閥在水錘防護(hù)過程中的不同效果。根據(jù)計算得出具有恒速緩沖功能的排氣閥是高揚(yáng)程多起伏的長距離輸水管道的斷流彌合水錘的基本防護(hù)措施。

1水錘發(fā)生的原因與分類

1.1引起水錘過程的原因

(1)啟泵、停泵、用啟閉閥門或改變水泵轉(zhuǎn)速、葉片角度調(diào)節(jié)流量時；尤其在迅速操作、使水流速度發(fā)生急劇變化的情況。
(2)事故停泵，即運(yùn)行中的水泵動力突然中斷時停泵。較多見的是配電系統(tǒng)故障、誤操作、雷擊等情況下的突然停泵。

1.2水錘破壞主要的表現(xiàn)形式

(1)水錘壓力過高，引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低，管道因失穩(wěn)而破壞。
(2)水泵反轉(zhuǎn)速過高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相重合，以及突然停止反轉(zhuǎn)過程或電動機(jī)再啟動，從而引起電動機(jī)轉(zhuǎn)子的*變形，水泵機(jī)組的劇烈振動和聯(lián)結(jié)軸的斷裂。
(3)水泵倒流量過大，引起管網(wǎng)壓力下降，水量減小，影響正常供水。
1.3.水錘的分類與判別

(1)按產(chǎn)生水錘的原因可分為：關(guān)（開）閥水錘、啟泵水錘和停泵水錘；
(2)按產(chǎn)生水錘時管道水流狀態(tài)可分為：不出現(xiàn)水柱中斷與出現(xiàn)水柱中斷兩類。前者水錘壓力上升值△H通常不大于水泵額定揚(yáng)程HR或水泵工作水頭H0稱正常水錘；后者當(dāng)水柱再彌合時，水錘壓力上升值較高，常大于HR或H0，是引起水錘事故的重要原因，故稱非常水錘。

在有壓力管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車）使水的流速突然發(fā)生變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低的交替變化，為種水力現(xiàn)象稱為水擊或水錘。 因開泵、停泵、開關(guān)閘閥過于快速，使水的速度發(fā)生急劇變化，特別是突然停泵引起水錘，可以破壞管道、水泵、閥門、并引起水泵反轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力降低等，所以，預(yù)防水錘發(fā)生極為重要，平時預(yù)防水錘發(fā)生的措施主要有以下幾個方法：

a.開關(guān)閥門過快引起的水錘：

（1） 延長開閥和關(guān)閥時間。

（2） 離心泵和混凝泵應(yīng)在閥門半閉15%-30%時而不是全關(guān)時停泵。

b.泵引起的水錘

（1） 排除管道然內(nèi)的空氣，使管道內(nèi)充滿水后再開啟水泵，凡是長距離輸水管道的高起部位都應(yīng)設(shè)自動排氣閥。

（2） 停泵水錘主要因出水管止回閥關(guān)閉過快引起，因此，取消止回閥可以消除停水泵水錘的危害，并且可以減少水頭損失，節(jié)約電耗；目前經(jīng)過一些大城市的實驗，認(rèn)為一級泵房可以取消，二級泵房不易取消；取消止回閥時應(yīng)進(jìn)行停水錘壓力計算，為減少和消除水錘，目前常在大口徑管道上安裝微阻緩閉止回閥。采用緩沖止回閥、微閉蝶閥安裝在大口徑的水泵出水管上，可有效的消除停泵水錘，但因閥門動作時有一定的不量倒流，吸水井須有溢流管。緊靠止回閥并在其下游安裝水錘消除器。
   所謂水柱中斷，就是在水錘過程中，由于管道某處壓力低于水的汽化壓力而產(chǎn)生，即：
Pi/γ+Pa/γ≤Ps/γ                                                    (1-1)
式中： Pi/γ—管道中某點(diǎn)的壓力（M）；      
Pa/γ—大氣壓力（M）；
Ps/γ—水的飽和蒸汽壓力（壓力），在常溫下取2-3M；
γ—水的容重。
(3)對于關(guān)（開）閥水錘，與關(guān)（開）閥時間T。有關(guān)可分為：
    直接水錘：
Tc＜Tγ                                   （1-2）
    間接水錘：
 Tc＞Tγ                                   (1-3)
    式中：Tγ—水錘相（秒），見公式（1-12）。
1.4水錘特征的計算

1.4.1水錘傳播速度
α對于均質(zhì)管道輸送清水，且不考慮水中所含空氣時按下式計算：                      (1-13)

當(dāng)管道面積及材料性質(zhì)沿 不變時，
= = (S)                            (1-14)
式中： ——管道初始流量（M3/S）；
      ——管道初始揚(yáng)程（M）；
        ——管道初始流速（M/S）；
       ——管道面積（M2）。（注腳i代表不同管段和數(shù)值）。
1.4.4管路常數(shù)2ρ

  2ρ按下式計算：
                                (1-15）
1.4.5機(jī)組時間常數(shù)

式中： ——水泵機(jī)組的飛輪慣量（kg·m2），一般可以取電動機(jī)的 的1.1～1.2倍，電動機(jī) 可由樣本上查得或由電動廠提供；
——水泵額定轉(zhuǎn)矩（kg·m）可用下式計算：
=  ,其中
    ——水泵額定軸功率（kw）；
      ——水泵額定轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/分）。
2、水錘計算目的、方法與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1計算目的

計算壓力水系統(tǒng)在各種工況時水錘過程的目的在于：
（1）提供大水錘壓力上升值Δ ，以便進(jìn)行泵殼、管道、支墩的強(qiáng)度計算，以及選配管道、閥件。
（2）提供管道沿線主要點(diǎn)，如水泵出口（或出口閥門、逆止閥）、管道中點(diǎn)、管道隆起點(diǎn)的大降壓值Δ ，以便復(fù)核管道的穩(wěn)定性。
（3）提供各種停泵不關(guān)閥工況的時間特征值，作為選擇水泵出口閥門型式、關(guān)閥程序的依據(jù)，這些特征值是：
       ——從水泵動力切斷到輸水管道水體流動方向開始改變的時間，又稱水泵出現(xiàn)零流量時間（S）
——從水泵動力切斷到水泵轉(zhuǎn)動方向開始改變的時間，又稱水泵出現(xiàn)零轉(zhuǎn)速時間（S）。
——從水泵動力切斷到水泵出現(xiàn)高反轉(zhuǎn)速時間（S）。
   以上特征值的意義及停泵不關(guān)閥的水錘過程線是評價水泵裝置設(shè)計好壞以及提出防護(hù)措施的基礎(chǔ)。
（4）提供水泵機(jī)組在作制動工況、水輪機(jī)工況運(yùn)行時，可能出現(xiàn)的大倒流量 ，大反轉(zhuǎn)速 ，是否滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或要求。
2.2非常水錘壓力估算

（1)當(dāng)兩水柱再彌合時即出現(xiàn)水柱沖擊，其壓力升高值按下式估算：
      式中： ， 彌合后水柱的運(yùn)動速度為 。
（2)當(dāng)水泵出口設(shè)有止回閥，并在止回閥后水柱再彌合時，其壓力升高按下式估算：
  （m/s）                                     (2-2)
式中：υ——為水柱沖擊閥門或止回閥時的速度(m/s)，可按下式估算：
①       如果在管道水流開始倒流時止回閥關(guān)閉，則 （管道初始流速）（m/s）。
②       如果在管道水流倒后止回閥關(guān)閉，則υ可按下式估算：
 （m/s）                           (2-3)
式中： ——出水池水面到止回閥門處的幾何高度（M）；
——出水池水面到止回閥門處管道正常運(yùn)行時水頭損失（M）。
③             非常水錘對中、低壓供水系統(tǒng)危害性特別大，應(yīng)當(dāng)注意加以防止。
2.3水錘參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

泵和輸水管路發(fā)生水錘過程時，水泵及管道的壓力H、流速υ和水泵轉(zhuǎn)矩M均隨時間t而變化；當(dāng)水泵啟、停時還會發(fā)生水泵轉(zhuǎn)速n的變化，甚至旋轉(zhuǎn)方向的改變。
目前我國尚未規(guī)定水泵與壓力輸水管水錘參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水電站設(shè)計等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出如下數(shù)值作為設(shè)計參數(shù)。
(1)大的水錘壓力上升值 用下式計算：
                                   (2-4)
          式中： ——水泵額定揚(yáng)程（M）；
                ——大水錘壓力增值（M）；
                 （M），其中 ——大水錘壓力（M）。應(yīng)不大于水泵、管道及閥門的試驗壓力或按表3-1采用允許 值水泵或壓力管道的水頭（M）

(2)因水錘壓力下降,管道出現(xiàn)低壓力 的允許值,建議應(yīng)大于所輸水體水溫所對應(yīng)的飽和水蒸氣壓力( /γ)；使水流不出現(xiàn)水柱中斷，當(dāng)水柱中斷是不可避免時，應(yīng)研究是否采取防護(hù)措施。
(3)允許大的水泵反轉(zhuǎn)速上升高值 ：
                                   (2-5)
式中： ——水泵額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；
 其中： ——水泵大反轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。
水泵作反轉(zhuǎn)運(yùn)行時，即為水輪機(jī)工況，應(yīng)參照水輪機(jī)的有關(guān)規(guī)定，并考慮水泵的臨介轉(zhuǎn)速。水泵的臨介轉(zhuǎn)速應(yīng)由水泵廠提供，一般建議 以不大于0.2為宜。
(4) 對于倒流量的 的允許值，應(yīng)由供水的對象及其重要性來決定。
 3 停泵水錘防護(hù)措施
由于停泵水錘可能導(dǎo)致泵站和輸水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故（如泵房內(nèi)設(shè)備或管道破裂導(dǎo)致泵房淹沒，輸水管破裂導(dǎo)致沿途房屋漬水），因此有必要根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施來消除停泵水錘或消減水錘壓力。
(1)降低輸水管線的流速，可在一定程度上降低水錘壓力，但會增大輸水管管徑，增加工程投資。
(2)輸水管線布置時應(yīng)考慮盡量避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變。
(3)通過模擬，選用轉(zhuǎn)動慣量GD2較大的水泵機(jī)組或加裝有足夠慣性的飛輪，可在一定程度上降低水錘值。
(4)設(shè)置水錘消除裝置
①調(diào)壓室：調(diào)壓室是一個鋼制或鋼筋混凝土的水箱，壓力管道上的調(diào)壓室有單向與雙向調(diào)壓室兩種。
②氣壓罐：國內(nèi)使用經(jīng)驗不多，在國外（英國）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高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似
③水錘消除器：水錘消除器能在無需阻止流體流動的情況下，有效地消除各類流體在傳輸系統(tǒng)可能產(chǎn)生的水外錘和浪涌發(fā)生的不規(guī)則水擊波震蕩，從而達(dá)到消除具有破壞性的沖擊波，起到保護(hù)之目的。80 年代以前曾經(jīng)廣為采用。它安裝于止回閥附近，某些水錘消除器無自動復(fù)位功能，容易因誤操作導(dǎo)致發(fā)生水錘。
④緩閉止回閥：有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對閥門關(guān)閉時間進(jìn)行調(diào)整。一般在停電后3～7 s內(nèi)閥門關(guān)閉70%～80%，剩余20%～30%的關(guān)閉時間則根據(jù)水泵和管路的情況調(diào)節(jié)，一般在10～30 s范圍。可以利用計算機(jī)模擬*時間，并現(xiàn)場調(diào)試確定。值得注意的是，當(dāng)管路中存在駝峰而發(fā)生彌合水錘時，緩閉止回閥的作用就十分有限。