停泵水錘計(jì)算及其防護(hù)措施

1、停泵水錘計(jì)算及其防護(hù)措施    摘要：簡(jiǎn)要介紹了停泵水錘的計(jì)算依據(jù)，并采計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)工程的停泵水錘工作情況。根據(jù)多項(xiàng)工程的實(shí)測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，提出了泵房和輸水管線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及停泵水錘的防護(hù)措施。 關(guān)鍵詞：停泵水錘 計(jì)算 防護(hù)措施  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。停

2、泵水錘值的大小與泵房中水泵和輸水管路的具體情況有關(guān)。在泵房和輸水管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮可能發(fā)生的水錘情況，并采取相應(yīng)的防范措施避免水錘的發(fā)生，或?qū)⑺N的影響控制在允許范圍內(nèi)。我院在綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于水錘的最新科研成果并結(jié)合多年工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，以特征線法為基礎(chǔ)開發(fā)了水錘計(jì)算程序。這一程序可較好地模擬各種工況條件下水泵及輸水管路系統(tǒng)的水錘狀況，為高揚(yáng)程長(zhǎng)距離輸水工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。1停泵水錘的計(jì)算原理停泵水錘的計(jì)算有多種方法:圖解法、數(shù)解法和電算法。其基本原理是按照彈性水柱理論，建立水錘過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程，這兩個(gè)方程是雙曲線族偏微分方程。運(yùn)動(dòng)方程式為：連續(xù)方程式為：式中H 管中某點(diǎn)的水頭V管內(nèi)流速a水錘

3、波傳播速度x管路中某點(diǎn)坐標(biāo)g重力加速度t時(shí)間f管路摩阻系數(shù)D管徑通過(guò)簡(jiǎn)化求解得到水錘分析計(jì)算的最重要的基礎(chǔ)方程：H-H0F(t-x/a)+F(t+x/a)(3)V-V0g/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)反射波在波動(dòng)學(xué)中，直接波和反射波的傳播在坐標(biāo)軸(H，V)中的表現(xiàn)形式為射線，即特征線。它表示管路中某兩點(diǎn)處在水錘過(guò)程中各自相應(yīng)時(shí)刻的水頭H與流速V之間的相互關(guān)系。為了方便計(jì)算機(jī)的計(jì)算，將上述方程組變換為水頭平衡方程和轉(zhuǎn)速改變方程，即成事故停泵時(shí)水泵的兩個(gè)邊界條件方程式：F1PM-BQv+Hn(2+v2)(A0+A

4、1x)-H0v2/(2)0(5)F2(2+v2)(B0+B1x)+m0-C3(0-)0(6)式中N/Nn(實(shí)際轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速)vQ/Qn(實(shí)際流量/額定流量)通過(guò)上述兩式的聯(lián)立，采用牛頓萊福生迭代公式，可以解出v和的近似數(shù)值。將水泵的全面性能曲線改造為僅與轉(zhuǎn)速和流速有關(guān)的全面性能曲線，以便計(jì)算機(jī)在解方程時(shí)取值，即：WH(x)h/(2+v2)(7)WM(x)m/(2+v2)(8)式中hH/Hn(實(shí)際揚(yáng)程/額定揚(yáng)程)mM/Mn(實(shí)際轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)現(xiàn)行的水錘計(jì)算方法就是基于上述原理。2幾種邊界條件下水錘工況的模擬結(jié)果根據(jù)我國(guó)南方某城市取水泵房的水泵及輸水管線的實(shí)際情況，采用計(jì)算機(jī)程序模擬水錘情況如

5、下（均按最低枯水位計(jì)算）：基本情況：水泵機(jī)組：Qn=5 000 m3/h,Hn=55 m,Nn=741 r/min,Ns=132.4,GD2=874.7 kgm2，Mn=932.72 kgm，近期單臺(tái)運(yùn)行，遠(yuǎn)期兩臺(tái)運(yùn)行。 輸水管線：DN=1 400 mm,L=5 750 m，幾何揚(yáng)程：35 m（近期），45 m(遠(yuǎn)期)。泵房和輸水管線如圖1所示： 2.1假設(shè)為有閥管路停泵水錘普通止回閥普通止回閥管路停泵水錘計(jì)算結(jié)果如表1所示。  表1普通止回閥管路停泵水錘計(jì)算結(jié)果 運(yùn)行條件泵出口處最大壓力值(kPa)當(dāng)加大水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量適當(dāng)?shù)谋稊?shù)時(shí)，泵出口處最大壓力值(kPa)兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行1

6、536(156.7 m)830(84.68 m)一臺(tái)水泵運(yùn)行892(91.05 m)617(63.0 m)表1中所列數(shù)據(jù)為假設(shè)水泵出口處的流速為零時(shí)閥門即刻關(guān)閉所產(chǎn)生的水錘壓力值。實(shí)際工況中，閥門關(guān)閉總要一段時(shí)間，因此實(shí)際水錘值將與表中所列數(shù)據(jù)有出入。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，如果在此條件下適當(dāng)增加水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以將水錘壓力值明顯降低。緩閉止回閥緩閉止回閥管路停泵水錘計(jì)算結(jié)果如表2所示。   表2緩閉止回閥管路停泵水錘計(jì)算結(jié)果運(yùn)行條件最佳閥門關(guān)閉條件下泵出口處最大壓力值(kPa)水泵最大倒轉(zhuǎn)速度比(/n)水泵最大倒流量比(Q/Qn)最佳閥門關(guān)閉組合條件(關(guān)閥時(shí)間和閥門關(guān)閉程度)兩臺(tái)水

7、泵并聯(lián)運(yùn)行867(88.5 m)0.06-0.23快關(guān)：3 s，80%慢關(guān)：24 s，20%一臺(tái)水泵運(yùn)行655(66.8 m)0.03-0.15快關(guān)：3 s，80%慢關(guān)：21 s，20%經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間和快慢組合與最佳模擬條件不同時(shí)，泵前最大壓力值都將有所增加。因此一個(gè)裝有兩階段關(guān)閉閥門的輸水系統(tǒng)，其閥門的操作過(guò)程應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，并應(yīng)在試運(yùn)行中調(diào)整。此種設(shè)備定貨時(shí)應(yīng)向制造廠提出具體的技術(shù)要求（快、慢關(guān)閉時(shí)間及可調(diào)性）。管路發(fā)生斷流停泵水錘（即彌合水錘）此泵房出水管在穿越大堤處（距泵出口40 m）形成了駝峰，經(jīng)計(jì)算，此處將發(fā)生彌合水錘。實(shí)際觀測(cè)與計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果相近，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果如表

8、3所示。   表3普通止回閥管路發(fā)生彌合水錘計(jì)算結(jié)果運(yùn)行條件枯水位時(shí)泵出口處最大壓力值(kPa)洪水位時(shí)泵出口處最大壓力值(kPa)枯水位駝峰處水錘壓力值(kPa)洪水位駝峰處水錘壓力值(kPa)兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行1 705(173.95 m)1 312(133.85 m)1 695(172.97 m)1 302(132.85 m)一臺(tái)水泵運(yùn)行1 171(119.5 m)644(65.7 m)1 068(110.93 m)605(61.7 m)從表3得知，當(dāng)管路中發(fā)生斷流的停泵水錘（即彌合水錘）時(shí)，水錘值很大，達(dá)到幾何揚(yáng)程的4倍以上，必須引起高度重視。2.2結(jié)論性意見(jiàn)停泵水錘的大小主要

9、與泵房的幾何揚(yáng)程有關(guān), 當(dāng)幾何揚(yáng)程30 m，其各種工況下的最大水錘壓力值(Hmax)與幾何揚(yáng)程(Ho)的比值，水泵最大逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速max與額定轉(zhuǎn)速n的比值分別列入表4。   表4幾種管路條件下停泵水錘計(jì)算結(jié)果比較表水錘邊界條件無(wú)逆止閥管路普通逆止閥緩閉逆止閥普通逆止閥管路中有彌合水錘發(fā)生Hmax/Ho0.91.441.91.253.05.0max/n-1.25-0.2為了避免停泵水錘的危害，可在如下方面采取措施：對(duì)于無(wú)逆止閥的管路系統(tǒng)這種停泵水錘的情況并不嚴(yán)重，最大的水錘值為幾何揚(yáng)程的1.40倍左右，須注意的是水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)和水大量倒流造成的損失和危害。一般情況下，無(wú)逆止閥管路主要應(yīng)避免水

10、泵機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度倒轉(zhuǎn)，以防水泵軸套松脫和機(jī)組共振。通過(guò)計(jì)算程序模擬有如下規(guī)律：輸水距離在1.25.0 km范圍，管線愈長(zhǎng)，停泵水錘值愈大，水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)愈嚴(yán)重。管線長(zhǎng)度超過(guò)5.0 km，長(zhǎng)度繼續(xù)增加對(duì)水錘值影響較小。幾何揚(yáng)程增高，最大水錘值和水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)值均有增加，當(dāng)幾何揚(yáng)程50 m時(shí)，水泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)值將持續(xù)超過(guò)額定正轉(zhuǎn)速(max/n-1.0)，超過(guò)規(guī)范的允許范圍。在這種情況下應(yīng)與水泵制造廠聯(lián)系采取相應(yīng)的技術(shù)措施以確保水泵在倒轉(zhuǎn)運(yùn)行工況下安全。對(duì)于無(wú)逆止閥管路選用轉(zhuǎn)矩(Mn)較小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(GD2)較大的水泵機(jī)組將有利于改善停泵水錘發(fā)生時(shí)的水泵和管路工況，推遲水泵的倒轉(zhuǎn)，降低倒轉(zhuǎn)值。對(duì)于裝有普通

11、止回閥的管路系統(tǒng)這種停泵水錘的情況較為嚴(yán)重，最大的水錘值為幾何揚(yáng)程的1.90倍左右。輸水距離在1.25.0 km范圍時(shí),管線愈長(zhǎng), 停泵水錘值愈大。管線長(zhǎng)度超過(guò)5.0 km，長(zhǎng)度繼續(xù)增加對(duì)上述參數(shù)影響較小。幾何揚(yáng)程增高，停泵水錘值也愈大。對(duì)于取水泵房，若條件許可（輸水管路較短，水泵允許短時(shí)間倒轉(zhuǎn)），可取消普通逆止閥。如果采用了普通逆止閥，則水泵機(jī)組、管路配件和管路系統(tǒng)的耐壓等級(jí)和穩(wěn)定性均應(yīng)考慮最大水錘壓力值。對(duì)于裝有緩閉逆止閥的管路系統(tǒng)緩閉逆止閥對(duì)于降低停泵水錘有明顯效果。緩閉逆止閥的使用應(yīng)結(jié)合具體情況，快慢兩個(gè)階段的關(guān)閥歷時(shí)應(yīng)根據(jù)泵房水泵性能和輸水管路的邊界條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出最佳的理論

12、時(shí)間組合，并在試驗(yàn)運(yùn)行中調(diào)整，以期獲得最佳關(guān)閥歷時(shí)和快慢兩個(gè)階段的關(guān)閥歷時(shí)的分配。如果關(guān)閥時(shí)間長(zhǎng)于或短于最佳關(guān)閥歷時(shí)或快慢兩個(gè)階段的關(guān)閥歷時(shí)采用不當(dāng)，均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生很大的水錘壓力值。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明：調(diào)整理想的緩閉逆止閥管路的停泵水錘值可控制為幾何揚(yáng)程的1.45倍左右，而非理想狀況下的緩閉逆止閥管路的最大停泵水錘值可達(dá)幾何揚(yáng)程的2.52.8倍。此外，快慢兩個(gè)階段的關(guān)閥歷時(shí)的選用也是很有講究的，一般要求停泵后5 s內(nèi)應(yīng)關(guān)閉閥門的80%以上。若整個(gè)關(guān)閥歷程是勻速的也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大的水錘壓力，模擬結(jié)果如表5。   表5緩閉逆止閥模擬結(jié)果關(guān)閥歷時(shí)及快慢時(shí)間分配模擬最佳關(guān)閥歷時(shí)及快慢時(shí)間分配其

13、他關(guān)閥歷時(shí)及快慢時(shí)間分配情況1234關(guān)閥歷時(shí)(s)181824918快關(guān)時(shí)間(關(guān)閉80%，s)3均勻關(guān)閉336慢關(guān)時(shí)間(關(guān)閉剩余的20%，s)1521612最大停泵水錘值(kPa)900(91.8 m)1 315(134.2 m)1 726(176.1 m)1 324(135.1 m)1 063(108.5 m)基本參數(shù)：幾何揚(yáng)程62 m，三臺(tái)水泵并聯(lián)工作，輸水管路1.3 km，管徑1.0 m。普通逆止閥管路中有彌合水錘發(fā)生在輸水管路布線時(shí)應(yīng)盡量避免縱坡的突然變化,特別要防止出現(xiàn)“駝峰或膝部”，否則可能導(dǎo)致發(fā)生彌合水錘，而彌合水錘的最大壓力值為幾何揚(yáng)程的35 倍，其對(duì)泵房和輸水管路系統(tǒng)將產(chǎn)生極

14、大的危害。一般情況下，駝峰出現(xiàn)處的高程為幾何揚(yáng)程的30%80%時(shí)最為不利（水錘值最大）。根據(jù)模擬運(yùn)算，當(dāng)幾何揚(yáng)程在25 m以上且管路中一定的高程位置存在“駝峰或膝部”，其最大彌合水錘值將超過(guò)980 kPa(100 m水柱)。對(duì)于彌合水錘不可避免的情況（已經(jīng)建成的輸水系統(tǒng)中存在駝峰），則應(yīng)采取工程技術(shù)措施進(jìn)行水錘防護(hù)。     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?jī)?nèi)設(shè)備或管道破裂導(dǎo)致泵房淹沒(méi)，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(lái)消除停泵水錘或消減水錘壓力。降低輸水管線的流速，可在一定程度上

15、降低水錘壓力，但會(huì)增大輸水管管徑，增加工投資。輸水管線布置時(shí)應(yīng)考慮盡量避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變。通過(guò)模擬計(jì)算，選用轉(zhuǎn)動(dòng)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。設(shè)置水錘消除裝置a.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。這種方式工作安全可靠，但其應(yīng)用受到泵站壓力和周邊地形的限制。b.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。但其對(duì)停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。此外單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠，一旦該閥門失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。c.氣壓罐：國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)不多，在國(guó)外（英國(guó)）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。d.水