矿井排水系统的水锤计算与防治.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 8期 矿井排水 系统 的水锤 计算与防治 石 宁 ( 新疆工业高等专科学校 机械工程系，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 9 1 ) 摘要：文章介绍了矿井排水系统的水锤现象和水锤波的传播速度，在给出水锺基本方程及 边界条件的基础上 ，介绍 了水锤计算方法，提 出了解决水锤 的相应措施，并结合工程 实例计算进 行说 明，对实际工程设计具有一定的指导和参考作用。 关键词：离心泵；水锤 ；微阻缓 闭闸阀；防治措施 中图分类号：T D 7 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 0 1 8 - 0 3 Ca l c ul a t i o n a n d Pr e v e n t i o n o f W a t e r Ha mme r i n M i ne W a t e r Dr a i n a g e S y s t e m SHI Ni ng ( D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ，X i n j i a n g p o l y t e c h n i c C o ll e g e ，U r u m c h i 8 3 0 0 9 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e h a d a l l i n t r o d u c t i o n O ff t h e w a t e r h a mme r p h e n o me n o n o f t h e mi n e wa t e r d i s c h a r g i n g s y s t e m a n d t h e t r a n s mi s s i o n v e l o c i t y o f t h e wa t e r h a mme r w a v e B a s e o n t h e b a s i c e q u a t i o n o f t h e w a t e r h a mme r a n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s p r o v i d e d， t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e w a t e r h a mme r w a s i n t r o d u c e d a n d t h e r e l a t i v e fi l e a s u r e s t o s o l y e t h e w a t e r h a m me r w e r e p r o v i d e d T h e e x p l a n a t i o n w a s c o n d u c t e d o n t h e c a l c u l a t i o n o f t h e p r o j e c t c a s e s a n d c o u l d p r o v i d e c e r t a i n g u i d a n c e a n d r e f e r e n c e s t o t h e d e s i g n o f t h e a c t u a l p r o j e c t s Ke y wo r d s ： c e n t rif u g a l p u mp；wa t e r h a mme r ； mi c r o r e s i s t a n c e h y d r a u l i c s l o wl y c l o s i n g g a t e； p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l m east l r es 1 水锤现象的特点及其传播速度 1 1 水锤现象的特点 矿井主排水有平硐排水、斜井排水和立井排水，在水 泵工作过程中经常出现断电停泵操作。排水管道中水的流 速会突然发生变化，从而引起管道内压强急剧升高和降低 的交替变化即水锤现象 。 ，其特点为： 1 )水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性 力。当突然断电停泵时，由于断电停泵时间短、流量变化 快 ，因而水锤压力往往较 大 ，而且整个 变化 过程是较快 的。 2 ) 由于管壁具有 弹性 和水体 的压缩 性 ，水锤压力 将 以 弹性波的形式沿管道传播。 3 )水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，外 部条件发生变化处( 即边界处 ) 均要发生波的反射。其反射 特性( 指反射波的数值及方向) 决定于边界处的物理特性。 由于水锤可以破坏管道、水泵、阀门或管道连接件等， 所以，消除或减小水锤危害在工程设计 中极为重要 。 1 2水锤 波的 传播 速度 在水锤过程的分析与计算中，波速是一个重要的参数。 1 8 它的大小与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及 水的弹性模量等有关 。由水流 的连 续方程 并考虑 水体 和管 壁的弹性后，可导出水锤波的传播速度为： ： ( 1 ) + 式中K 水的体积弹性模量 ，一般取 2 0 61 0 MP a ； 卜管 壁材料 的 纵 向 弹性 模 量 ( 钢 村 E=2 0 6 1 0 MP a ，铸铁 E： 0 9 81 0 MP a ) ； g 一重力加速度，m s ； D 管道 内径 ，m m； 管壁厚度 ，m m。 K g 为声波在水中的传播速度 ，随水温度和压力的 升高而加大，一般可取为 1 4 3 5 m s 。在缺乏资料的情况下， 钢管 的水锤波速可近似地取为 1 0 0 0 m s 。 2 水锤基本方程及边界条件 为求解水锤压力升高问题，需要建立基本方程。基本 方程与相应的边界条件联立，用解析方法或数值计算方法 求解水锤值及其变化过程。 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 6 0 2 作者简介：石宁( 1 9 6 2一) ，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，现在从事矿山机械方面的教学与科研工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 8期 煤炭工程 2 1 水锤基 本 方程 对于管道排水而言，不论在何种情况下都应满足水流 的运动方程及连续方程。当水管材料、厚度及直径沿管长 不变时，其运动方程为： s + + + 俨 =0 ( 2 ) 将管道材料及水体当作弹性体考虑，其连续方程为 ： + 一 a V+ vO H ： 0 ( 3 ) O t g d d x 式 中日压力水 头 ，m； 管道 中的流速 ，m s 口 水锤波传播速度 ，m s ； 厂 - 一 水流摩擦阻力系数 ； D 管道直径 ，m； 距离 ，其正方向与流速取为一致，m； 时间 。s 。 上面二式中，因流速 与波速 a相比数量较小，故可 忽略 O V和 项 。另外 ，为了简化计算 ，使方程线性 化。忽略摩擦阻力的影响。当 轴改为取阀门端为原点时， 可简化为 ： g = O V ( 4 ) 。 以 一 r Ot g O x 式( 4 ) 、式( 5 ) 的通解为： t H = 日 一 = F ( 一 詈 ) + t + 詈 ) ( 6 ) Zl V = = 一 F t 一 詈 ) 一 t + 詈 ) 】 ( 7 ) 式 中 、 初 始水头和流速 F 、-厂 _ 一 分别为两个波函数，其量纲与水头 相同， 故可视 为压力 波。 F ( t x a ) 表示以波速 n沿 轴负方向传播的压力波， 称为逆流波； ， ( t +x a ) 表示以波速 a沿 轴正方向传播的 压力波，称为顺流波。 任何断面任何时刻的水锤压力值等于两个方向相反的 压力波之和，而流速值为两个压力波之差再乘以一g a 。 2 2 水锤 的边界条件 应用水锤基本方程计算压力管道中水锤时，首先要确 定其起始条件和边界条件。 初始条件：当管道中水流 由恒定流变为非恒定流时。 把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。即当 t = 0时 ，管道中任何断面的流速 V=V o ；如不计水头损失，水 头 H= 。 边界条件：管道出 口处一般指矿井水处理站水池。管 道出口边界条件为 ： =t l o 。 3 排水管水锤的解析计算 解析法的要点是采用数学解析的方法，引入一些符合 实际的假定，直接建立最大水锤压力 的计算公式 。简单易 行 ，物理概念清楚，可直接得出结果。 3 1 直接 水锤 水锤波在管道 中传播一个来 回的时间为 2 L a ，称为 “ 相” 。当微阻缓闭止回阀的调节时间 2 L a时，由排水 管出口反射回来的水锤波尚未到达阀门之前，阀门开度变 化已经终止，水锤压力只受开度变化直接引起的水锤波的 影响，这种水锤称为直接水锤。 基本方程中的波函数f ( t + x a )=0 ，然后从二式 中消 去 F( t x a ) 得直接水锤公式： Z I H =日 一 4 0=一 ( VV o ) ( 8 ) g 式 ( 8 ) 只适用 于 2 L a的情况 ，由此式 可得 出如下 结论：当阀门关闭时，管内流速减小 ， 一 2 L a ，当阀门 关闭过程结束前 ，排水管出 口反射回来的降压波已经到达 阀门处 ，因此水锤压力是由向上传播 的水锤波 F和反射回 来的水锤波_厂 叠加的结果，这种水锤称为间接水锤。 工程中最关心的是最大水锤压力。由于水锤压力产生 于阀门处 ，从排水管出口反射 回来的降压波也是最后才达 到阀门，因此最大水锤压力总是发生在紧邻阀门的断面上。 间接水锤的计算公式为： 日 = ( 1+ ) 1 4 o ( 9 ) 式 中 最大水锤压力 ，m； 风 井 口与泵房 的高差 ，n l ； h m 最大水锤压力相对值， h ： -二 ； 水管特性常数 ， = L V m g ； ， 一 管道长度，m； 阀 门关 闭时 间，s 。 4应用 实例 4 1 主排水管道的水锤事故情况 现场反映主排水管道水锤现象严重，水锤使整个管道 剧烈振动，产生 巨大声 响，犹如放炮声。由于水锤作用 ， 两趟排水管道已出现后移现象，其中靠外的一趟排水管道 已后移约 3 0 0 mm，靠内侧的排水管道 已后移约 2 0 0 ra m，造 成水平大巷排水管道管箍接头开焊并产生漏水。排水泵房 内管道剧烈振动，排水支架已变形。 】 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 8期 设计中为防止水锤，特别采用了微阻缓闭止回阀。利 用止回阀的缓慢关闭来消除水锤。现场工作人员反映，在 停泵时听到微阻缓闭止回阀啪的一声关闭，这样微阻缓闭 止回阀就没有发挥消除水锤的作用。 4 2 主排水管道的水锤计算 新疆焦煤集团 1 8 9 0煤矿为主排水系统为平巷 +斜井排 水系统，排水管流速 V o：2 2 5 m s ，排水管 道长度 ， J = 2 8 0 0 m，排水高度 H=1 4 0 m，管道压力按 2 5 MP a 设计。 假设微阻缓 闭止 回阀关闭时间为 2 s ，则 =2 8 0 0 x 2 2 5 ( 9 8 t 1 4 0 x2 )=1 5 3 ，所 以 h ： 3 1 ，H = 5 7 4 m。 该水锤力大大超 出管道压力 ，会造成管道连接处漏水和管 道损坏 。 假设微 阻缓 闭止 回 阀关 闭 时 间 为 5 s ，则 =2 8 0 0 2 2 5 ( 9 8 11 4 0 X 5)=0 9 1 7，所 以 h =1 4 3 ，日 = 3 4 0 m。该 水锤力也超 出管道 压力 ，会造 成管 道连接 处漏 水 和管道损坏 。 假设 微 阻缓 闭止 回阀关 闭时 间为 1 0 s ，则 =2 8 0 0 2 2 5 ( 9 8 11 4 01 0)：0 4 6 ，所 以 h =0 5 8 ，H = 2 2 0 m，此值满足管道设计要求，显然微阻缓闭止 回阀的关 闭时间应大于 1 0 s 才能有效减小水锤冲击。 5 排水管道的水锤防治措施 在工程设计中一般都采用微阻缓闭止回阀来消除水锤 ， 但很少进行水锤防治计算。国内的大部分微阻缓闭止 回阀 是采用水压缓闭装置，利用排水管道 中的水作为介质( 污 水 、煤泥水) 。由于水中带有的煤泥或泥沙常常堵塞管路及 调节阀，机件长期浸水锈蚀 ，导致缓闭装置动作失灵。也 有微 阻缓 闭止回 阀是 采用油 压缓 闭装 置 ，利用机 油做 阻尼 介质，与官网中的介质完全隔离，不污染水源，也不受管 网中的水质的影响。 从现场实际情况看，由于矿井水较脏 ，已造成部分射 流泵管道堵塞，这样实际使用的微阻缓闭止回阀如果是用 水压缓闭的，缓闭管路或调节阀可能已堵塞，导致缓闭功 ( 上接 第 1 7页) 机控制 电脑操作平 台上 显示 ；入 料泵是 由加 压过滤 机控 制 系统控制，在设计时要衔接好与选煤厂总控制的关系。 3结语 作为工程设计人员 ，要完成一部高质量、高标准的选 煤厂设计 ， 必须对其选用的每一台设备有一定的了解 ，特 别是像加压过滤机这一类 由多台设备组成的一台集成化设 备 ，在设计、选型、布置以及非标等设计前要做到对设备 的性能、运行环境等作一定的了解。在设计过程中，各专 业要紧密结合 ；在系统调试和正常生产后设计人员要及时 回访，将调试和生产中好的建议和经验反馈 回设计中，进 2 0 能失效。微阻缓闭止回阀没有起到消除水锤的作用，因此 应检修现有微阻缓闭止回阀，使其缓闭调节回路通畅。特 提 出以下 防治措施 ： 1 )在设计中应优先采用性能可靠的油压缓闭装置来消 除水锤，可以防止缓闭管路或调节阀可能现的，避免缓 闭功能失效 ，保证排水系统安全 。 2 )调节止回阀的缓闭时间及缓闭开度，最大限度的消 除水锤。缓闭时间长短和缓闭开度大小，根据管道 中的水 锤峰值大小，经调整来确定。 3 )活塞回位时间长短即缓闭时间长短，可由涮节阀控 制。调节阀开度大 ，活塞回位快，缓闭时间短 ， 节阀开 度小，活塞回位慢，缓闭时问长。现场以消除水锤为准。 4 )止回阀的蝶板应动作灵活，启闭无卡阻现象。根据 中华 人民共和 国城镇建设 行业标 准微 阻缓 闭蝶形 止 回阀中 规定 ：停 泵时 ，止回阀先速 闭 8 0 左右行 程 ，无卡 阻 ，后 缓闭2 0 左右行程，1 2 0 s以内可调。止回阀关闭时，瞬间 最大水锤压力升值不应 大于 2 5 的工作压 力 ，当允许提 高 瞬间最大水锤压力升值时，也不应大于 5 0 的T作压力。 且水泵倒转速不应超过水泵额定转速的 t 3倍。 采用上述措施，可有效消除水锤，防止管道振动，消 除巨大声响，减小管道后移，保证排水安全。 参考文献： 1 郑 莉 玲井 阀并 用 水锤 防护 措施 在 长 引水 电站 中的应 片 J 人 民黄河 ，2 0 1 0 ，3 2 ( 8 ) ：1 2 21 2 3 2 马 世波 ，张健 长距 离输 水 J ： 程 停 泵水 锤 防 护措 施研 究 J 人 民长江 ，2 0 0 9，4 0 ( 1 ) ：8 58 7 3 蔡琦斌压力供水管路断流弥合水锤 防护措 施及改进 J 中国给水排水 ，2 0 0 7，2 3 ( 2 2 ) ：2 42 6 4 董健莉液控止 回蝶阀消除水锤效果 的计算机仿真及试验研 究 J 水利水 电技术 ，2 0 0 9 ，4 0 ( 1 ) ：9 4 9 7 【 5 无 负压 供水 系统 中水泵 水锤 的瞬态 分析 J 流体 机械 ， 2 0 1 0，3 8 ( 1 2 )： 2 6 2 9 ( 责任 编辑赵 巧芝) 一 步提高工程 设计 人员的设 计水 平 ，使设计更加精 益求精 。 参考文献： 1 建瑞革选煤厂煤 泥水 回收系统设备和工 艺现状分析 D 煤炭加工与综合利用 ，2 0 1 0 ，( 2 ) 2 薛 丽群 加 压过 滤机 用 于选 煤 厂煤 泥水 处 理 的试验 研 究 D 煤炭加工与综合利用 ，2 0 0 9，( 2 ) 3 G B 5 0 3 5 92 0 0 5，煤炭洗选工程设计规范 s 【 4 郭 志强我 国加 压过滤 技术 在越南 选煤 行业 的应 用 - J 煤炭工程 ，2 0 0 1 1 ，( 1 ) ：l 92 l ( 责任 编辑赵巧芝 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m