建筑消防給水系統(tǒng)中停泵水錘的算法及防護(hù)措施

1、建筑消防給水系統(tǒng)中停泵水錘的算法及防護(hù)措施Algorithms and prevention measures for stop-pump water hammer in building fire protection water supply system摘要：介紹了建筑消防給水系統(tǒng)中水錘的概念與危害；闡述了目前常用的停泵水錘計算方法，并對各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了比較；最后，提出了建筑消防系統(tǒng)中停泵水錘的防護(hù)措施。Abstract：Concept and hazard of water hammer in building fire protection water supply

2、system were introduced. Various algorithms currently used for computing stop-pump water hammer were analyzed, and a comparison of the advantages and disadvantages as well as the applicable conditions was made. Finally, prevention measures for stop-pump water hammer in building fire protection water

3、supply system were put forward.關(guān)鍵詞：消防給水 停泵水錘 防護(hù)措施Key words: fire protection water supply, stop-pump water hammer, prevention measures引言水錘是管道瞬變流動中的一種壓力波，它的產(chǎn)生是由于管道中某一截面液體流速發(fā)生了改變。這種改變可能是正常的流量調(diào)節(jié)，也可能是事故而使流量堵截，從而使該處壓力產(chǎn)生一個突然的躍升或下跌。消防給水管網(wǎng)內(nèi)的水體平時處于靜止?fàn)顟B(tài)，檢查測試或臨警使用時水體流動，管網(wǎng)壓力波動大，易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。在管道輸送液體時，閘閥的啟閉或水泵的啟動與停機(jī)，造成

4、管道中流速的突然變化和壓力的急劇升高與降低是經(jīng)常發(fā)生的。水錘事故給人們的正常生活和生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響和損失。從記錄上的水錘事故調(diào)查可看出，多數(shù)水錘事故的結(jié)果是輕則水管爆裂，止回閥的上頂蓋或殼體被打壞大量漏水，造成暫時供水中斷事故，重則釀成泵房被淹毀、消防系統(tǒng)無法作用等嚴(yán)重事故。因此在設(shè)計建筑消防給水系統(tǒng)時必須認(rèn)真研究事故水錘的危險性，分析水錘壓力的變化過程，采取合理、可行的防護(hù)措施，來確保壓力管路的安全運(yùn)行。1904年，Joukovsky【1】通過試驗與推導(dǎo)，首次提出了直接水錘壓強(qiáng)的經(jīng)典計算公式，這是第一次能用公式計算水錘壓力，這使得水錘的研究可以與實踐相結(jié)合。此后隨著計算機(jī)的不斷發(fā)展，有關(guān)

5、水錘的數(shù)值計算方法也在不斷完善和發(fā)展【2-3】，此外，由于有限元理論的不斷發(fā)展和應(yīng)用，國外有些學(xué)者開始將有限元方法【4】應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的瞬變流計算。P. W.France采用有限元方法求解突然開啟閥門情況下的調(diào)壓井水位波動。Jorge L.Balino【5】用微分?jǐn)z動法對管網(wǎng)水錘的敏感性進(jìn)行研究。隨著水錘理論和計算方法的不斷完善，對水錘的研究開始與具體的工程實踐密切結(jié)合，即由理論和方法的研究轉(zhuǎn)向具體工程的瞬變特性分析與水錘危害的控制。本文針對目前國內(nèi)外使用廣泛的各種水錘算法進(jìn)行歸納和對照，對各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了比較，最后，針對目前在建筑消防系統(tǒng)中的水錘防護(hù)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。1 停泵水

6、錘的算法分類事故停泵的水錘計算一般分有閥和無閥兩種情況。通常，只有在通過水錘計算，確認(rèn)它允許機(jī)組倒流逆轉(zhuǎn)且不發(fā)生危害的情況下才允許取消逆止閥。然而安裝了逆止閥保護(hù)了機(jī)組，卻增大了管道系統(tǒng)的水錘壓力，從而對管路造成威脅。此外，水錘計算還要校核管路降壓時是否會存在水柱分離現(xiàn)象，即要避免或排除在管路突起部位發(fā)生彌合水錘的可能性。目前常用的水錘計算方法主要分為兩類：第一類方法為精確計算類算法，該類算法計算結(jié)果比較精確但是計算過程復(fù)雜，典型算法有數(shù)解法、圖解法、電算法；第二類為簡易計算，常常在只需要掌握粗略結(jié)果時使用，方法比較快速、實用和有效，主要是依據(jù)大量圖表，它是集水錘大量計算成果（經(jīng)過驗證了的）；

7、并繪制成各種圖表，供水錘計算時直接查取。2 停泵水錘算法2.1 停泵水錘精確計算類算法停泵水錘精確計算類算法有很多，如：圖解法、數(shù)解法和電算法。其原理均是按照彈性水柱理論，建立水錘過程的運(yùn)動方程和連續(xù)方程，這兩個方程是雙曲線族偏微分方程。運(yùn)動方程式為： （1）連續(xù)方程式為： （2）式中，H為管中某點(diǎn)的水頭，V為管內(nèi)流速，a為水錘波傳播速度，x為管路中某點(diǎn)坐標(biāo)，g為重力加速度，t為時間，f為管路摩阻系數(shù)，D為管徑。通過簡化求解得到水錘分析計算的最重要的基礎(chǔ)方程： （3） （4）其中，為直接波；為反射波。在波動學(xué)中，直接波和反射波的傳播在坐標(biāo)軸中的表現(xiàn)形式為射線，即特征線。它表示管路中某兩點(diǎn)處在水

8、錘過程中各自相應(yīng)時刻的水頭H與流速V之間的相互關(guān)系。為了方便計算機(jī)的計算，將上述方程組變換為水頭平衡方程和轉(zhuǎn)速改變方程，即成事故停泵時水泵的兩個邊界條件方程式： （5） （6）式中：為（實際轉(zhuǎn)速/ 額定轉(zhuǎn)速），為（實際流量/ 額定流量）。通過上述兩式的聯(lián)立，采用牛頓-萊福生迭代公式，可以解出和的近似數(shù)值?，F(xiàn)行的水錘計算方法就是基于上述原理 。2.2 停泵水錘簡易類算法這種方法計算簡單、可靠，可以快速得出水錘過程中機(jī)組或管道的各種最不利參數(shù)，因此工程上應(yīng)用十分廣泛。但是需要注意，這些圖表是在不同的計算條件下得出的，因此使用時要注意其特定條件。2.2.1 阿列維（Allivei）算法該方法適用于關(guān)

9、閥水錘計算，提出了簡單管道系統(tǒng)末端直線關(guān)閉情況下產(chǎn)生的水錘壓力變化的計算曲線圖表。圖表中選用了管道特征常數(shù)為橫坐標(biāo)，無量綱關(guān)閥時間為縱坐標(biāo)，繪制出最大壓力上升率的等值線。計算時可根據(jù)管道的特征參量和關(guān)閥時間計算出和值，再查閱相應(yīng)的曲線圖，讀取值，然后計算最大水錘壓力。2.2.2 魁克（Quick）法魁克繪制了末端閥直線關(guān)閉情況下的最大水錘壓力上升的計算曲線圖表，選取為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)采用最大壓力上升率與的比值來表示；并以無量綱關(guān)閥時間作為參變量，繪制等值線。2.2.3 帕馬金（Parmakian）算法帕馬金通過對停泵水錘的計算分析認(rèn)為，事故停泵過程中的最不利參數(shù)，主要取決于水泵機(jī)組的慣性、管道的

10、特性和水泵的全特性。水泵機(jī)組的慣性可用參量來表示，管道的特性可用來表示。對于一已知水泵的全特征曲線，通過大量的水錘計算，根據(jù)不同的和值的計算結(jié)果，可以繪制該法的曲線圖。當(dāng)用帕馬金曲線圖計算事故水錘時，首先應(yīng)根據(jù)已知數(shù)據(jù)計算出和的值，然后由該算法圖表查出水泵出口和管道中點(diǎn)的最大降壓水頭和最大升壓水頭等參數(shù)。2.2.4 富澤清治算法日本富澤清治【6】以實際的輸水管道為研究對象，對數(shù)百個工程進(jìn)行了水錘計算，并繪制出了水錘計算曲線圖。該算法充分考慮了管道摩阻的影響，采用為橫坐標(biāo)（為水泵的慣性系數(shù)，為水錘相），采用水錘過程中最低降壓水頭（即實際產(chǎn)生的最低壓力水頭和水泵額定揚(yáng)程之比)和開始倒流的相對時間（

11、實際時間與水錘相時間之比）為縱坐標(biāo)繪制的，并以管道摩阻占水泵工作揚(yáng)程的0%、20%、40%、60%、80%這五種情況分別考慮。該法認(rèn)為停泵后管道中水錘壓力的降低，直接影響倒流開始后水錘壓力的升高，由于它是分析研究管道是否產(chǎn)生水柱分離的主要依據(jù)，因此它是以最低壓力水頭作為繪制計算曲線的重要依據(jù)。3 各種算法優(yōu)缺點(diǎn)比較精確類水錘計算方法優(yōu)勢在于計算結(jié)果精確可靠，缺點(diǎn)在于計算過程復(fù)雜，難度較大，不適合于工程應(yīng)用。阿列維法和魁克法都只適用于關(guān)閥時的水錘計算，而且兩種方法均沒有考慮管道的摩阻損失，故只適用于摩阻較小以致可以忽略的情況。帕馬金算法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能查出水泵出口和管道中點(diǎn)處的最大降壓水頭和最大

12、升壓水頭，而且還能得出水泵的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、水泵開始倒流時間、水泵轉(zhuǎn)速為零的時間、水泵到達(dá)最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的時間等參數(shù)。另外，帕馬金算法不僅適用于無閥的水錘計算，而且還能估算出水泵出口裝有逆止閥時的停泵水錘參數(shù)，可以用來估算任何水泵系統(tǒng)出水管的水錘值。但此種算法仍沒有考慮管道的摩阻損失，因此對于長管道、大摩阻的管路系統(tǒng)，此法適用性差。富澤清治算法另辟溪徑，他忽略管道特征常數(shù)，直接從實踐出發(fā)，結(jié)合工程實際經(jīng)驗而得出圖表。與前幾種方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于該法得出的數(shù)據(jù)更接近工程實際，理論和實際結(jié)合得更加緊密。另外，該方法充分考慮了管道摩阻，適用于長管道系統(tǒng)的水錘計算。當(dāng)涉及到管路水柱分離計算時，該方法應(yīng)首選

13、。此簡易算法的缺點(diǎn)在于計算圖表僅給出了摩阻占工作揚(yáng)程為0%（即忽略損失）、20%、40%、60%、80%五種情況，當(dāng)阻力占揚(yáng)程的百分?jǐn)?shù)不是上述數(shù)值時，需要插值，從而帶來不便和誤差。4 消防系統(tǒng)水錘防護(hù)措施因為停泵水錘可能導(dǎo)致泵站和輸水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故，所以有必要根據(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。目前為止，已經(jīng)有多種停泵水錘防護(hù)措施，大致可以分為補(bǔ)水（注氣）穩(wěn)壓、泄水降壓兩類。補(bǔ)水（注氣）穩(wěn)壓可防止產(chǎn)生水柱分離或升壓過高的斷流彌合水錘，屬于這種類型的有雙向調(diào)壓室、單向調(diào)壓室及氣壓罐，主要包括雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔及氣壓罐；泄水降壓可避免壓力陡升，屬于這種類型的有停泵水錘消除

14、器、緩閉止回閥、爆破膜片等，主要包括水錘消除器、緩閉止回閥以及爆破膜片。另外在工程設(shè)計中，還可考慮其他類型的水錘防護(hù)措施：適當(dāng)增加管道直徑、壁厚，降低輸水管線的流速，這樣可以在一定程度上降低水錘壓力；減少管道長度，由一個泵站變?yōu)閮蓚€泵站，用吸水井把兩個泵站銜接起來；在輸水管線布置時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)坡度劇變的情況。5 總結(jié)本文介紹了建筑消防給水系統(tǒng)中水錘的概念及危害，對目前國內(nèi)外停泵水錘的主要算法進(jìn)行分類和歸納闡述，對各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行了比較，最后，針對目前的建筑消防給水系統(tǒng)對停泵水錘防護(hù)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。參考文獻(xiàn)：1 Allievi L. Theory of water Hammer,

15、 (translated by E.E.Halmos), Riccardo Garoni, Rome,1925, 45 (2):50-562 C. Taylor and K. Morgan. Computational techniques in transient and turbulent flow v. 2 Recent advances in numerical methods in fluids, Swansea:Pineridge Press, 1981, 89-963 Ted Belytschko, Thomas J. R. Hughes. Computational methods for transient analysis, Amsterdam, New York:North-Holland, New York, 1978, 55-594 P. W. France. Finite element solution for mass oscillations in a surge tank on sudden valve opening, Advances in Engineering Software, 1996, 26(2):185-1875 Jorge L.