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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=5 000 m3/h,Hn=55 m,Nn=741 r/min,Ns=132.4,GD2=874.7 kg．m2，Mn=932.72 kg．m，近期单台运行，远期两台运行。
　　输水管线：DN=1 400 mm,L=5 750 m，几何扬程：35 m（近期），45 m(远期)。
　　泵房和输水管线如图1所示： 3　停泵水锤防护措施
　　由于停泵水锤可能导致泵站和输水系统发生严重事故（如泵房内设备或管道破裂导致泵房淹没，输水管破裂导致沿途房屋渍水），因此有必要根据具体情况采取相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力。
　　①　降低输水管线的流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资。
　　②　输水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变。
　　③　通过模拟计算，选用转动惯量GD2较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。
　　④　设置水锤消除装置
　　a.　双向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。
　　b.　单向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。
　　c.　气压罐：国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。
　　d.　水锤消除器：80 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。
　　e.　缓闭止回阀：有重锤式和蓄能式两种。这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后3～7 s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10～30 s范围。可以利用计算机模拟最佳时间，并现场调试确定。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。