停泵水錘計算及其防護(hù)措施

摘要：簡要介紹了停泵水錘的計算依據(jù)，并采用計算機(jī)軟件模擬實際工程的停泵水錘工作情況。根據(jù)多項工程的實測和計算機(jī)模擬結(jié)果，提出了泵房和輸水管線設(shè)計中應(yīng)注意的問題以及停泵水錘的防護(hù)措施。關(guān)鍵詞：停泵水錘計算防護(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，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，其對泵房和管路的安全有極大的威脅，國內(nèi)有幾座水泵房曾發(fā)生停泵水錘而導(dǎo)致泵房淹沒或管路破裂的重大事故。停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)計時應(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)。我院在綜合國內(nèi)外關(guān)于水錘的最新科研成果并結(jié)合多年工程實踐的經(jīng)驗，以特征線法為基礎(chǔ)開發(fā)了水錘計算程序。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)程長距離輸水工程提供設(shè)計依據(jù)。1停泵水錘的計算原理停泵水錘的計算有多種方法: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：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——水錘波傳播速度x——管路中某點(diǎn)坐標(biāo)g——重力加速度t——時間f——管路摩阻系數(shù)D——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：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)——反射波在波動學(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：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(實際轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速)v——Q/Qn(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v和β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，以便計算機(jī)在解方程時取值，即：WH(x)＝h/(β2+v2)(7)WM(x)＝m/(β2+v2)(8)式中h——H/Hn(實際揚(yáng)程/額定揚(yáng)程)m——M/Mn(實際轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩)現(xiàn)行的水錘計算方法就是基于上述原理。矩2擔(dān)幾種邊界條匪件下水錘工況詢的模擬結(jié)果逆根據(jù)我國液南方某城市取擦水泵房的水泵誼及輸水管線的圓實際情況，采避用計算機(jī)程序領(lǐng)模擬水錘情況怎如下（均按最豐低枯水位計算照）：戴基本情況落：姨水泵機(jī)組掛：宋Q痰n蘭=5繼000m賓3和/h,H拘n從=住55m即,N弟n序=741r濫/min,N質(zhì)s瓣=132.4責(zé),GD旦2競=岡874.7船kg三．往m燦2獵，游M醋n迅=勾932.72憤kg仆．澆m浸，近期單臺運(yùn)鋼行，遠(yuǎn)期兩臺棵運(yùn)行所。標(biāo)牢輸水管線等：悄DN=1收400mm句,L=5逆750m圾，幾何揚(yáng)程：妥35m盲（近期），城45m端(弊遠(yuǎn)竊期勤)榴。餅泵房和輸貫水管線如片圖抗1展所示轉(zhuǎn)：京悲2.蔥1村假設(shè)為有閥委管路停泵水錘弄愁①才普通止回閥要普通止回邀閥管路停泵水癢錘計算結(jié)果如己表華1偵所示。旁表呆1炒普通止回閥童管路停泵水錘會計算結(jié)脆果指管運(yùn)行

用條件娃泵出口處最大

凝壓力侮值曉(辦kPa)臉當(dāng)加大水泵機(jī)菠組轉(zhuǎn)動慣量適席當(dāng)?shù)?/p>

鍛倍數(shù)時，泵出滴口處最大壓力索值裁(殼kPa)澆兩臺水泵

吸并聯(lián)運(yùn)行悼1536

任(胖156.7痰m疾)忠830(繪84.68織m匪)并一臺水

菊泵運(yùn)行妙892

均(鴿91.05擦m巧)斃617(謹(jǐn)63.0m蟲)樂慣表泡1轟中所列數(shù)據(jù)為姻假設(shè)水泵出口沒處的流速為零終時閥門即刻關(guān)耳閉所產(chǎn)生的水趣錘壓力值。實粉際工況中，閥形門關(guān)閉總要一橫段時間，因此庭實際水錘值將度與表中所列數(shù)現(xiàn)據(jù)有出入。根債據(jù)計算機(jī)模擬難結(jié)果，如果在遭此條件下適當(dāng)消增加水泵機(jī)組很的轉(zhuǎn)動慣量可補(bǔ)以將水錘壓力紀(jì)值明顯降低。害秀②企緩閉止回閥絞緩閉止回生閥管路停泵水飾錘計算結(jié)果如愛表乓2完所示然。豬舅表臉2賺緩閉止回閥英管路停泵水錘鮮計算結(jié)果孟運(yùn)行

冶條件雖最佳閥門關(guān)

悠閉條件下泵

逢出口處最大

須壓力攤值從(聽kPa)脆水泵最大倒

固轉(zhuǎn)速度比

歐(哈β竟/狹β字n準(zhǔn))殖水泵最大

傳倒流量比

和(沃Q/Q劃n升)拋?zhàn)罴验y門關(guān)

西閉組合條件

雄(矩關(guān)閥時間和

俱閥門關(guān)閉程偶度樓)籠兩臺水泵

如并聯(lián)運(yùn)行垃867

置(息88.5m后)揀0.06腫-0.23醫(yī)快關(guān)壘：請3載s唯，派80%

轉(zhuǎn)慢關(guān)根：殘24以s攜，眼20%災(zāi)一臺水

改泵運(yùn)行揚(yáng)655

亭(城66.8m棍)脊0.03脹-0.15井快關(guān)唉：召3廁s昨，玻80%

伯慢關(guān)索：謝21之s辰，坡20%淘經(jīng)過計算娃機(jī)模擬，當(dāng)關(guān)蓄閥時間和快慢悉組合與最佳模捐擬條件不同時蒼，泵前最大壓報力值都將有所慣增加。因此一淹個裝有兩階段擊關(guān)閉閥門的輸記水系統(tǒng)，其閥纏門的操作過程緞應(yīng)經(jīng)過計算確禽定，并應(yīng)在試乞運(yùn)行中調(diào)整。蜓此種設(shè)備定貨黎時應(yīng)向制造廠皇提出具體的技擾術(shù)要求（快、拳慢關(guān)閉時間及倚可調(diào)性）。朝刪③低管路發(fā)生斷歌流停泵水錘（謎即彌合水錘）灑此泵房出遵水管在穿越大齒堤處（距泵出踩口排40m總）形成了駝峰暢，經(jīng)計算，此障處將發(fā)生彌合約水錘。實際觀摩測與計算機(jī)模悄擬的結(jié)果相近原，計算機(jī)模擬仍結(jié)果如挪表菊3滾所示維。勞芽表弟3杯普通止回閥呈管路發(fā)生彌合片水錘計算結(jié)果鹽運(yùn)行

謹(jǐn)條件杠枯水位時泵

痛出口處最大

欠壓力億值其(撓kPa)討洪水位時泵

腳出口處最大

膏壓力嫁值釀(糧kPa)鴉枯水位駝峰

隊處水錘壓力

豪值職(密kPa)誓洪水位駝峰

拌處水錘壓力

罩值扮(竄kPa)釣兩臺水泵

孔并聯(lián)運(yùn)行辦1705

異(渾173.95孔m柄)怒1312

秧(址133.85促m墨)湯1695

忙(拔172.97尺m異)冠1302

剃(礦132.85菊m秤)巾一臺水

倒泵運(yùn)行零1171

問(記119.5莖m肆)園644

扎(川65.7m掙)提1068

顧(畜110.93肝m爛)蕉605

墓(聾61.7m檢)蠢從竄表呆3巖得知，當(dāng)管路致中發(fā)生斷流的虧停泵水錘（即他彌合水錘）時巨，水錘值很大翻，達(dá)到幾何揚(yáng)亦程皆的續(xù)4議倍以上，必須飯引起高度重視石。尋2.小2建結(jié)論性意見樓停泵水錘咳的大小主要與戶泵房的幾何揚(yáng)噴程有昌關(guān)責(zé),中停當(dāng)幾何揚(yáng)炒程諷≥妄30m阿，其各種工況清下的最大水錘晃壓力找值借(視H革max引)受與幾何揚(yáng)蝴程墓(逢H突o豆)分的比值，水泵判最大逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)避速蝶β灣max灣與額定轉(zhuǎn)浮速牌β速n漂的比值分別列貴入指表襯4沉。忌暗表秒4陰幾種管路條科件下停泵水錘狠計算結(jié)果比較駝表應(yīng)水錘邊界

清條件鉗無逆止閥

浩管路戴普通逆

湯止閥獎緩閉逆

命止閥歡普通逆止閥管戒路中

革有彌合水錘發(fā)情生文H仙max蜂/H嘆o祥0.縱9栗～紀(jì)1.44確1.9娘1.25警3.榨0詢～轎5.0饒β討max司/真β峽n海-1.25裕豆-0.2拜為了避免方停泵水錘的危清害，可在如下礎(chǔ)方面采取措施調(diào)：吊親①虜對于無逆止啦閥的管路系統(tǒng)托這種停泵形水錘的情況并逗不嚴(yán)重，最大分的水錘值為幾脊何揚(yáng)程膚的笛1.4趙0紀(jì)倍左右，須注鹽意的是水泵機(jī)肌組倒轉(zhuǎn)和水大接量倒流造成的怒損失和危害。親一般情況下，還無逆止閥管路蘭主要應(yīng)避免水外泵機(jī)組的長時恒間過度倒轉(zhuǎn)，尸以防水泵軸套汽松脫和機(jī)組共嫁振。通過計算奉程序模擬有如暈下規(guī)律：輸水恒距離續(xù)在筐1.腹2鬧～究5良.0km頂范圍，管線愈泡長，停泵水錘疊值愈大，水泵賽機(jī)組倒轉(zhuǎn)愈嚴(yán)勾重。管線長度菌超過掘5.0km擊，長度繼續(xù)增店加對水錘值影傳響較小。幾何錢揚(yáng)程增高，最績大水錘值和水北泵機(jī)組倒轉(zhuǎn)值槳均有增加，當(dāng)唐幾何揚(yáng)程＞席50m遲時，水泵機(jī)組慧倒轉(zhuǎn)值將持續(xù)塵超過額定正轉(zhuǎn)辭速箭(臨β鮮max何/拳β名n漠≤飯-1.0遼)牙，超過規(guī)范的憲允許范圍。在者這種情況下應(yīng)戲與水泵制造廠冶聯(lián)系采取相應(yīng)級的技術(shù)措施以稅確保水泵在倒拍轉(zhuǎn)運(yùn)行工況下塘安全。對于無面逆止閥管路選舍用轉(zhuǎn)霞矩隊(Mn小)慧較小、轉(zhuǎn)動慣襖量孩(鋼GD侮2策)愚較大的水泵機(jī)謝組將有利于改駛善停泵水錘發(fā)銜生時的水泵和科管路工況，推換遲水泵的倒轉(zhuǎn)迷，降低倒轉(zhuǎn)值投。芬喇②亭對于裝有普術(shù)通止回閥的管陶路系統(tǒng)掃這種停泵鄭水錘的情況較包為嚴(yán)重，最大豈的水錘值為幾紙何揚(yáng)程艷的在1.9蕩0勝倍左右。輸水光距離貨在賴1.迫2渾～瓣5嗎.0km骨范圍政時菌,額管線愈聰長麗,織競停泵水錘值愈眨大。管線長度怨超過疏5.0km槍，長度繼續(xù)增身加對上述參數(shù)羨影響較小紐。幾何揚(yáng)程增柴高，停泵水錘個值也愈大。對漆于取水泵房，輸若條件許可（漠輸水管路較短榨，水泵允許短煙時間倒轉(zhuǎn)），寄可取消普通逆愿止閥。如果采城用了普通逆止煮閥，則水泵機(jī)魂組、管路配件顫和管路系統(tǒng)的壞耐壓等級和穩(wěn)黑定性均應(yīng)考慮鑼最大水錘壓力晌值。疾撞③戀對于裝有緩廟閉逆止閥的管你路系統(tǒng)快緩閉逆止低閥對于降低停兼泵水錘有明顯扯效果。緩閉逆企止閥的使用應(yīng)泥結(jié)合具體情況坦，快慢兩個階未段的關(guān)閥歷時踏應(yīng)根據(jù)泵房水石泵性能和輸水濃管路的邊界條輕件進(jìn)行烤計算機(jī)肢模擬，得出最浩佳的理論時間捐組合，并在試唐驗運(yùn)行中調(diào)整年，以期獲得最份佳關(guān)閥歷時和武快慢兩個階段墾的關(guān)閥歷時的認(rèn)分配。如果關(guān)斷閥時間長于或荷短于最佳關(guān)閥府歷時或快慢兩閑個階段的關(guān)閥協(xié)歷時采用不當(dāng)拖，均會導(dǎo)致產(chǎn)夏生很大的水錘敢壓力值。計算才機(jī)模擬結(jié)果表目明：調(diào)整理想朝的緩閉逆止閥縣管路的停泵水夜錘值可控制為配幾何揚(yáng)程趙的恒1.4甘5稀倍左右，而非巧理想狀況下的鴉緩閉逆止閥管貸路的最大停泵狠水錘值可達(dá)幾練何揚(yáng)程狐的復(fù)2.旗5媽～軍2.飼8槽倍。此外，快梨慢兩個階段的爭關(guān)閥歷時的選劍用也是很有講培究的，一般要瑞求停泵禾后慣5勵s坑內(nèi)應(yīng)關(guān)閉閥門膚的濁80荒%校以上。若整個遵關(guān)閥歷程是勻勤速的也會導(dǎo)致師產(chǎn)生較大的水拐錘壓力，模擬鼓結(jié)果如斑表瓦5蘭。跨單表晴5栗緩閉逆止閥撓模擬結(jié)果因關(guān)閥歷時

低及快慢時

惰間分配繞模擬最佳

早關(guān)閥歷時

煎及快慢時

禍間分配澡其他關(guān)閥歷時租及快慢時間分秒配情況墓1金2忍3障4扒關(guān)閥歷叨時饞(躲s)接18杏18蘿24那9侮18毒快關(guān)時間

攝(呢關(guān)架閉熄80競%法，喝s)追3但均勻關(guān)閉賠3寇3月6律慢關(guān)時間

命(承關(guān)閉剩余

蒸的薦20蔥%止，瘋s)斜15貓21蜓6鈴12譽(yù)最大停泵水

偵錘帆值已(堪kPa)綠900

旁(鏟91.8m給)下1315

遠(yuǎn)(釘134.2到m轉(zhuǎn))考1726

昌(冠176.1騎m協(xié))文1324

忍(寒135.1丟m待)篩1063

返(例108.5兩m沉)曉基本參數(shù)：幾刊何揚(yáng)程雀62m態(tài)，三臺水泵并悲聯(lián)工作，輸水撥管路褲1.3km預(yù)，管徑業(yè)1.0m顫。廉滿④自普通逆止閥宇管路中有彌合掛水錘發(fā)生溉在輸水管倍路布線時應(yīng)盡貼量避免縱坡的丟突然變遷化碰,禁特別要防止出稿現(xiàn)貫“所駝峰或膝燦部頌”勤，否則可能導(dǎo)窗致發(fā)生彌合水傷錘，而彌合水姑錘的最大壓力血值為幾何揚(yáng)程煤的塑3嶄～扣5溫餓倍，其對泵房娛和輸水管路系究統(tǒng)將產(chǎn)生極大酷的危害。一般筑情況下，駝峰外出現(xiàn)處的高程田為幾何揚(yáng)程罪的滅30愉%也～仙80田%袍時最為不利（序水錘值最大）拉。根據(jù)模擬運(yùn)葡算，當(dāng)幾何揚(yáng)表程在財25m騎以上且管路中匪一定的高程位蟲置存將在際“控駝峰或膝眨部春”檔，其最大彌合裁水錘值將超醒過士980kP巡a(煉100m磁水沙柱趁)螞。對于彌合水辣錘不可避免的閉情況（已經(jīng)建皮成的輸水系統(tǒng)假中存在駝峰）虧，則應(yīng)采取工類程技術(shù)措施進(jìn)喝行水錘防護(hù)疑?？图?構(gòu)停泵水錘防俘護(hù)措施抱由于停泵畢水錘可能導(dǎo)致辜泵站和輸水系擦統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事溉故（如泵房內(nèi)陣設(shè)備或管道破很裂導(dǎo)致泵房淹項沒，輸水管破野裂導(dǎo)致沿途房錄屋漬水），因豪此有必要根據(jù)燥具體情況采取音相應(yīng)的措施來魔消除停泵水錘雁或消減水錘壓屋力。臭孩①剛降低輸水管夢線的流速，可脆在一定程度上己降低水錘壓力儉，但會增大輸臥水管管徑，增宗加工程炕投資趟。扇增②黨輸水管線布孔置時應(yīng)考慮盡厚量避免出現(xiàn)駝成峰或坡度劇變困。菌屈③啞通過模擬計結(jié)算，選用轉(zhuǎn)動成慣蜘量榨GD決2蹲較大的水泵機(jī)嚷組或加裝有足寨夠慣性的飛輪畏，可在一定程其度上降低水錘什值。雞許④三設(shè)置水錘消催除裝置膠塔萍a之.耗雙向調(diào)壓塔針：在泵站附近竊或管道的適當(dāng)器位置修建，雙動向調(diào)壓塔的水建面高度應(yīng)高于俯輸水管道終點(diǎn)襲接收水池的水話面高度并考慮睛沿管道的水頭耐損失。調(diào)壓塔瑞將隨著管路中毛的壓力變化向甩管道補(bǔ)水或泄剪掉管路中的過臭高壓力，從而掛有效地避免或棋降低水錘壓力樹。這種方式工拐作安全可靠，車但其應(yīng)用受到幻泵站壓力和周顧邊地