停泵水锤计算及其防护措施

摘要：简要介绍了停泵水锤的计算依据，并采用计算机软件模拟实际工程的停泵水锤工作情况。根据多项工程的实测和计算机模拟结果，提出了泵房和输水管线设计中应注意的问题以及停泵水锤的防护措施。关键词：停泵水锤计算防护措施停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。我院在综合国内外关于水锤的最新科研成果并结合多年工程实践的经验，以特征线法为基础开发了水锤计算程序。这一程序可较好地模拟各种工况条件下水泵及输水管路系统的水锤状况，为高扬程长距离输水工程提供设计依据。1停泵水锤的计算原理停泵水锤的计算有多种方法:图解法、数解法和电算法。其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。运动方程式为：连续方程式为：式中H——管中某点的水头V——管内流速a——水锤波传播速度x——管路中某点坐标g——重力加速度t——时间f——管路摩阻系数D——管径通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程：H-H0＝F(t-x/a)+F(t+x/a)(3)V-V0＝g/a×F(t-x/a)-g/a×F(t+x/a)(4)式中F(t-x/a)——直接波F(t+x/a)——反射波在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴(H，V)中的表现形式为射线，即特征线。它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。为了方便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式：F1＝PM-BQv+Hn(β2+v2)(A0+A1x)-ΔH0v2/(τ2)＝0(5)F2＝(β2+v2)(B0+B1x)+m0-C3(β0-β)＝0(6)式中β——N/Nn(实际转速/额定转速)v——Q/Qn(实际流量/额定流量)通过上述两式的联立，采用牛顿—莱福生迭代公式，可以解出v和β的近似数值。将水泵的全面性能曲线改造为仅与转速和流速有关的全面性能曲线，以便计算机在解方程时取值，即：WH(x)＝h/(β2+v2)(7)WM(x)＝m/(β2+v2)(8)式中h——H/Hn(实际扬程/额定扬程)m——M/Mn(实际转矩/额定转矩)现行的水锤计算方法就是基于上述原理。2几种边界条件下水锤工况的模拟结果根据我国南方某城市取水泵房的水泵及输水管线的实际情况，采用计算机程序模拟水锤情况如下（均按最低枯水位计算）：基本情况：水泵机组：Qn=5000m3/h,Hn=55m,Nn=741r/min,Ns=132.4,GD2=874.7kg．m2，Mn=932.72kg．m，近期单台运行，远期两台运行。输水管线：DN=1400mm,L=5750m，几何扬程：35m（近期），45m(远期)。泵房和输水管线如图1所示：腔2.不1菜假设为倦有阀管路学停泵水锤汤①粮普通止芳回阀蜻普通止回筹阀管路停扬泵水锤计铁算结果如家表碧1麦所示。淹表往1哥普通止腥回阀管路惹停泵水锤屯计算结宽果置滩运行条件爽泵出口处族最大压力凯值弹(候kPa)或当加大水塔泵机组转砍动惯量适砌当的倍数哗时，泵出银口处最大挥压力割值王(玉kPa)宁两台水泵锈并联运行政153血6(15漫6.7践m)关830(凝84.6甜8m)恳一台水泵晚运行爪892(乐91.0赌5m)返617(犬63.0蜻m)蛋早表捆1值中所列数温据为假设仰水泵出口颤处的流速寄为零时阀理门即刻关葱闭所产生缺的水锤压械力值。实偏际工况中纺，阀门关寿闭总要一在段时间，踩因此实际扛水锤值将纵与表中所系列数据有违出入。根甩据计算机钳模拟结果凯，如果在瓦此条件下秤适当增加土水泵机组碎的转动惯注量可以将倘水锤压力岸值明显降退低。模②失缓闭止骗回阀将缓闭止回板阀管路停翅泵水锤计普算结果如竹表视2周所示辣。牵摧表升2漆缓闭止劳回阀管路框停泵水锤围计算结果蛾运行条件宝最佳阀门众关闭条件券下泵出口爆处最大压仅力秒值设(宵kPa)障水泵最大威倒转速度恭比城(殖β惠/额β菜n痰)喷水泵最大锹倒流量但比犬(巨Q/Q衣n葛)磁最佳阀门访关闭组合提条卷件浑(锣关阀时间扮和阀门关坝闭程掏度叛)薪两台水泵状并联运行缴867(剥88.5聪m)植0.06利-0.2浓3缘快关错：墓3延s抵，扣80袍%猴慢关还：灰24平s炉，璃20%妥一台水泵郑运行驳655(度66.8桶m)污0.03洗-0.1樱5援快关种：郊3晴s豆，贸80钻%仿慢关雹：原21她s怀，昌20%能经过考计算机模枪拟，当关灶阀时间和终快慢组合深与最佳模剥拟条件不投同时，泵渡前最大压秆力值都将擦有所增加扫。因此一拣个装有两摄阶段关闭捉阀门的输寒水系统，弊其阀门的吗操作过程雪应经过计站算确定，菠并应在试悔运行中调具整。此种捧设备定货财时应向制漆造厂提出忍具体的技杂术要求（松快、慢关砖闭时间及雅可调性）宝。董③寒管路发睡生断流停浸泵水锤（漏即弥合水真锤）慢此泵房出抖水管在穿制越大堤处津（距泵出纱口红40留m唱）形成了谣驼峰，经尖计算，此衣处将发生慨弥合水锤蓝。实际观树测与计算警机模拟的旦结果相近倒，计算机说模拟结果董如冻表碎3版所示潮。牛眉表昏3拼普通止胁回阀管路停发生弥合疤水锤计算到结果绩运行条件跨枯水位时甘泵出口处纽最大压力碧值时(扯kPa)校洪水位时致泵出口处陶最大压力年值吼(常kPa)乖枯水位驼冠峰处水锤愚压力孕值娃(得kPa)歪洪水位驼图峰处水锤四压力铃值孔(容kPa)归两台水泵胀并联运行机170镜5(17渗3.95凤m)搁131育2(13晶3.85榆m)疗169宏5(17乏2.97尘m)伯130塞2(13泛2.85蜓m)寺一台水泵田运行喷117欠1(11叠9.5喝m)谦644(隙65.7沫m)肉106适8(11脸0.93帅m)挥605(跳61.7芒m)借从特表钢3卷得知，当饭管路中发食生断流的贫停泵水锤提（即弥合男水锤）时吊，水锤值兼很大，达每到几何扬润程手的否4徒倍以上，剖必须引起却高度重视趣。侨2.灯2疫结论性互意见课停泵泼水锤的大子小主要与艳泵房的几杰何扬程有姜关虽,老卧当几何扬蔽程懒≥村30卖m潜，其各种律工况下的绕最大水锤皇压力纠值爹(肃H线max涂)音与几何扬乡程史(鸟H宵o雅)音的比值，鸽水泵最大谦逆转转递速缓β醋max柄与额定转障速渡β乞n鬼的比值分庙别列入冤表挨4局。葡鹅表云4饮几种管题路条件下脾停泵水锤燥计算结果稳比较表汗水锤边界蛙条件波无逆止阀聪管路真普通逆止功阀匪缓闭逆止佛阀丈普通逆止顷阀管路中舌有弥合水凭锤发生历H思max家/H旷o判0.朴9码～利1.44棚1.9甘1.25创3.己0倍～嫁5.0蕉β厚max剩/尚β谢n丑-1.2鞠5纵-0.2麦为了活避免停泵酸水锤的危酒害，可在渐如下方面响采取措施迟：彼①权对于无愿逆止阀的津管路系统猪这种抬停泵水锤游的情况并志不严重，海最大的水善锤值为几甜何扬程叨的房1.4僚0堂倍左右，杂须注意的延是水泵机允组倒转和约水大量倒扰流造成的泻损失和危狠害。一般痕情况下，气无逆止阀惕管路主要威应避免水制泵机组的吃长时间过僵度倒转，友以防水泵恨轴套松脱荡和机组共壮振。通过研计算程序弟模拟有如值下规律：蝶输水距离渗在库1.汉2托～巩5.0婆k度m孔范围，管博线愈长，脏停泵水锤研值愈大，果水泵机组顺倒转愈严增重。管线许长度超阶过悔5.0绵k读m淡，长度继遣续增加对沙水锤值影乞响较小。驻几何扬程蝴增高，最妻大水锤值郑和水泵机轰组倒转值裁均有增加搬，当几何乏扬程昏＞引50谅m议时，水泵岗机组倒转炒值将持续龄超过额定旬正转庄速咽(榜β见max临/蛙β讨n驳≤线-1.0舅)劫，超过规比范的允许勉范围。在娘这种情况通下应与水爹泵制造厂摊联系采取洪相应的技胆术措施以翻确保水泵识在倒转运锻行工况下魔安全。对镜于无逆止销阀管路选包用转你矩咸(Mn锈)爬较小、转归动惯屈量萌(角GD画2隶)须较大的水劣泵机组将恨有利于改赛善停泵水橡锤发生时部的水泵和拌管路工况态，推迟水惜泵的倒转宴，降低倒吃转值。酒②疮对于装贵有普通止钢回阀的管茂路系统装这种停络泵水锤的垫情况较为亮严重，最滩大的水锤隶值为几何次扬程个的粒1.9引0震倍左右。屠输水距离村在器1.菠2烫～坡5.0那k汉m奇范围楚时茅,娇管线愈剪长赵,滚净停泵水锤霜值愈大。永管线长度寸超疮过绪5.0夺k纷m盲，长度继贪续增加对膀上述参数祥影响较小离。几何扬拦程增高，剖停泵水锤践值也愈大我。对于取绪水泵房，蹈若条件许寇可（输水储管路较短阻，水泵允酒许短时间枣倒转），戴可取消普谢通逆止阀惨。如果采蹦用了普通雁逆止阀，榨则水泵机宪组、管路折配件和管某路系统的狭耐压等级耕和稳定性样均应考虑冻最大水锤蝴压力值。和③柏对于装竿有缓闭逆喷止阀的管霞路系统晃缓闭逆雀止阀对于糟降低停泵渔水锤有明谨显效果。青缓闭逆止碑阀的使用悲应结合具佣体情况，剩快慢两个搅阶段的关晓阀历时应裙根据泵房梳水泵性能轻和输水管药路的边界松条件进行搏计算机尼模拟，得昏出最佳的戴理论时间伴组合，并投在试验运铅行中调整肺，以期获苏得最佳关踪阀历时和诸快慢两个凶阶段的关天阀历时的喊分配。如送果关阀时视间长于或因短于最佳斩关阀历时智或快慢两项个阶段的产关阀历时罢采用不当半，均会导齐致产生很溜大的水锤销压力值。毒计算机模引拟结果表粮明：调整晴理想的缓客闭逆止阀蜜管路的停与泵水锤值饰可控制为乱几何扬程开的走1.4而5聪倍左右，狱而非理想始状况下的算缓闭逆止脉阀管路的衫最大停泵从水锤值可菠达几何扬功程男的曾2.竿5症～步2.泡8树倍。此外猪，快慢两议个阶段的厌关阀历时罢的选用也式是很有讲拒究的，一馆般要求停手泵纹后粘5佩s唯内应关闭盖阀门代的父80易%蔽以上。若棕整个关阀逗历程是匀扮速的也会滤导致产生璃较大的水甜锤压力，束模拟结果椒如丰表刃5企。印枪表念5主缓闭逆假止阀模拟干结果狭关阀历时莫及快慢时彻间分配托模拟最佳黑关阀历时构及快慢时虏间分配箱其他关阀拼历时及快厨慢时间分脑配情况匪1乘2同3粘4拨关阀历床时馅(扎s)庙18塑18旋24嘉9随18鉴快关时鼻间弹(悦关辣闭趣80帖%级，摧s)上3槐均匀关闭晨3饭3符6述慢关时意间登(障关闭剩余户的恨20酱%傅，振s)惰15拣21沙6肝12前最大停泵挎水锤辫值裁(括kPa)挠900(寇91.8调m)梯131色5(13政4.2有m)梯172少6(17勒6.1芝m)惭132内4(13间5.1峰m)侵106狡3(10蛇8.5尸m)饭基本参数闻：几何扬冈程析62班m键，三台水迁泵并联工奉作，输水周管烘路颂1.3养k碍m已，管静径大1.0捷m明。恐④哨普通逆似止阀管路宪中有弥合抄水锤发生压在输打水管路布舰线时应尽隆量避免纵抵坡的突然匪变占化表,困特别要防浸止出泪现进“度驼峰或膝木部喇”慧，否则可锯能导致发瞎生弥合水寒锤，而弥酱合水锤的竿最大压力投值为几何仆扬程似的崭3敞～易5赚鉴倍，其对值泵房和输规水管路系甜统将产生乓极大的危称害。一般旋情况下，危驼峰出现押处的高程售为几何扬所程化的变30妹%够～艺80宫%肉时最为不钟利（水锤跪值最大）昌。根据模质拟运算，那当几何扬酿程置在聋25羡m雹以上且管否路中一定骡的高程位蚁置存匙在缺“削驼峰或膝淋部篮”掩，其最大聪弥合水锤呼值将超万过滚980年kPa(拆100旧m盟水偶柱逐)垃。对于弥代合水锤不疗可避免的永情况（已字经建成的俩输水系统颜中存在驼店峰），则透应采取工顾程技术措籍施进行水宰锤防护亮。俱械3疮停泵水驶锤防护措逃施皱由于矮停泵水锤累可能导致怎泵站和输范水系统发址生严重事盒故（如泵壶房内设备烧或管道破炊裂导致泵梢房淹没，编输水管破贱裂导致沿糟途房屋渍羞水），因笑此有必要筑根据具体艇情况采取芝相应的措砌施来消除费停泵水锤或或消减水功锤压力。基①约降低输握水管线的往流速，可容在一定程佩度上降低谋水锤压力坛，但会增中大输水管债管径，增蔬加工程荡投资芒。抬②佣输水管宴线布置时吗应考虑尽前量避免出听现驼峰或旧坡度剧变驶。挣③猴通过模桑拟计算，执选用转动化惯僵量羞GD穗2正较大的水冻泵机组或普加装有足叹够惯性的久飞轮，可毛在一定程寇度上降低警水锤值。罗④吧设置水蛮锤消除装脚置渡此a通.仿双向调奴压塔：在接泵站附近耽或管道的柳适当位置毯修建，双那向调压塔粒的水面高所度应高于限输水管道帅终点接收脖水池的水踩面高度并超考虑沿管兽道的水头聚损失。调欢压塔将随骂着管路中凶的压力变壮化向管道究补水或泄加掉管路中班的过高压筑力，从而叠有效地避偷免或降低省水锤压力码。这种方谷式工作安脏全可靠，律但其应用狭受到泵站旨压力和周植边地形的垫限制。赖影b后.共单向调中压塔：在吴泵站附近振或管道的