停泵水錘計算及其防護措施

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措施。關(guān)鍵詞：停泵水錘計算防護措施停泵水錘是水錘現(xiàn)象中的一種，是指水泵機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。運動方程式為：連續(xù)方程式為：式中H——管中某點的水頭V——管內(nèi)流速a——水錘波傳播速度x——管路中某點坐標(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(實際揚程/額定揚程)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。2幾種邊界條件下水錘工況的模擬結(jié)果根據(jù)我國南方某城市取水泵房的水泵及輸水管線的實際情況，采用計算機程序模擬水錘情況如下（均按最低枯水位計算）：基本情況：水泵機組：Qn=5000m3/h,Hn=55m,Nn=741r/min,Ns=132.4,GD2=874.7kg．m2，Mn=932.72kg．m，近期單臺運行，遠(yuǎn)期兩臺運行。輸水管線：DN=1400mm,L=5750m，幾何揚程：35m（近期），45m(遠(yuǎn)期)。泵房和輸水管線如圖1所示：腔2.不1菜假設(shè)為倦有閥管路學(xué)停泵水錘湯①糧普通止芳回閥蜻普通止回籌閥管路停揚泵水錘計鐵算結(jié)果如家表碧1麥所示。淹表往1哥普通止腥回閥管路惹停泵水錘屯計算結(jié)寬果置灘運行條件爽泵出口處族最大壓力凱值彈(候kPa)或當(dāng)加大水塔泵機組轉(zhuǎn)砍動慣量適砌當(dāng)?shù)谋稊?shù)嘩時，泵出銀口處最大揮壓力割值王(玉kPa)寧兩臺水泵銹并聯(lián)運行政153血6(15漫6.7踐m)關(guān)830(凝84.6甜8m)懇一臺水泵晚運行爪892(樂91.0賭5m)返617(犬63.0蜻m)蛋早表捆1值中所列數(shù)溫?fù)?jù)為假設(shè)仰水泵出口顫處的流速寄為零時閥理門即刻關(guān)蔥閉所產(chǎn)生缺的水錘壓械力值。實偏際工況中紡，閥門關(guān)壽閉總要一在段時間，踩因此實際扛水錘值將縱與表中所系列數(shù)據(jù)有違出入。根甩據(jù)計算機鉗模擬結(jié)果凱，如果在瓦此條件下秤適當(dāng)增加土水泵機組碎的轉(zhuǎn)動慣注量可以將倘水錘壓力岸值明顯降退低。模②失緩閉止騙回閥將緩閉止回板閥管路停翅泵水錘計普算結(jié)果如竹表視2周所示辣。牽摧表升2漆緩閉止勞回閥管路框停泵水錘圍計算結(jié)果蛾運行條件寶最佳閥門眾關(guān)閉條件券下泵出口爆處最大壓僅力秒值設(shè)(宵kPa)障水泵最大威倒轉(zhuǎn)速度恭比城(殖β惠/額β菜n痰)噴水泵最大鍬倒流量但比犬(巨Q/Q衣n葛)磁最佳閥門訪關(guān)閉組合提條卷件渾(鑼關(guān)閥時間扮和閥門關(guān)壩閉程掏度叛)薪兩臺水泵狀并聯(lián)運行繳867(剝88.5聰m)植0.06利-0.2濃3緣快關(guān)錯：墓3延s抵，扣80袍%猴慢關(guān)還：灰24平s爐，璃20%妥一臺水泵鄭運行駁655(度66.8桶m)污0.03洗-0.1櫻5援快關(guān)種：郊3晴s豆，貿(mào)80鉆%仿慢關(guān)雹：原21她s懷，昌20%能經(jīng)過考計算機模槍擬，當(dāng)關(guān)灶閥時間和終快慢組合深與最佳模剝擬條件不投同時，泵渡前最大壓稈力值都將擦有所增加掃。因此一揀個裝有兩攝階段關(guān)閉捉閥門的輸寒水系統(tǒng)，弊其閥門的嗎操作過程雪應(yīng)經(jīng)過計站算確定，菠并應(yīng)在試悔運行中調(diào)具整。此種捧設(shè)備定貨財時應(yīng)向制漆造廠提出忍具體的技雜術(shù)要求（松快、慢關(guān)磚閉時間及雅可調(diào)性）寶。董③寒管路發(fā)睡生斷流停浸泵水錘（漏即彌合水真錘）慢此泵房出抖水管在穿制越大堤處津（距泵出紗口紅40留m唱）形成了謠駝峰，經(jīng)尖計算，此衣處將發(fā)生慨彌合水錘藍(lán)。實際觀樹測與計算警機模擬的旦結(jié)果相近倒，計算機說模擬結(jié)果董如凍表碎3版所示潮。牛眉表昏3拼普通止脅回閥管路停發(fā)生彌合疤水錘計算到結(jié)果績運行條件跨枯水位時甘泵出口處紐最大壓力碧值時(扯kPa)校洪水位時致泵出口處陶最大壓力年值吼(常kPa)乖枯水位駝冠峰處水錘愚壓力孕值娃(得kPa)歪洪水位駝圖峰處水錘四壓力鈴值孔(容kPa)歸兩臺水泵脹并聯(lián)運行機170鏡5(17滲3.95鳳m)擱131育2(13晶3.85榆m)療169宏5(17乏2.97塵m)伯130塞2(13泛2.85蜓m)寺一臺水泵田運行噴117欠1(11疊9.5喝m)謙644(隙65.7沫m)肉106適8(11臉0.93帥m)揮605(跳61.7芒m)借從特表鋼3卷得知，當(dāng)飯管路中發(fā)食生斷流的貧停泵水錘提（即彌合男水錘）時吊，水錘值兼很大，達(dá)每到幾何揚潤程手的否4徒倍以上，剖必須引起卻高度重視趣。僑2.燈2疫結(jié)論性互意見課停泵潑水錘的大子小主要與艷泵房的幾杰何揚程有姜關(guān)雖,老臥當(dāng)幾何揚蔽程懶≥村30賣m潛，其各種律工況下的繞最大水錘皇壓力糾值爹(肅H線max涂)音與幾何揚鄉(xiāng)程史(鳥H宵o雅)音的比值，鴿水泵最大謙逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)遞速緩β醋max柄與額定轉(zhuǎn)障速渡β乞n鬼的比值分廟別列入冤表挨4局。葡鵝表云4飲幾種管題路條件下脾停泵水錘燥計算結(jié)果穩(wěn)比較表汗水錘邊界蛙條件波無逆止閥聰管路真普通逆止功閥匪緩閉逆止佛閥丈普通逆止頃閥管路中舌有彌合水憑錘發(fā)生歷H思max家/H曠o判0.樸9碼～利1.44棚1.9甘1.25創(chuàng)3.己0倍～嫁5.0蕉β厚max剩/尚β謝n丑-1.2鞠5縱-0.2麥為了活避免停泵酸水錘的危酒害，可在漸如下方面響采取措施遲：彼①權(quán)對于無愿逆止閥的津管路系統(tǒng)豬這種抬停泵水錘游的情況并志不嚴(yán)重，海最大的水善錘值為幾甜何揚程叨的房1.4僚0堂倍左右，雜須注意的延是水泵機允組倒轉(zhuǎn)和約水大量倒擾流造成的瀉損失和危狠害。一般痕情況下，氣無逆止閥惕管路主要威應(yīng)避免水制泵機組的吃長時間過僵度倒轉(zhuǎn)，友以防水泵恨軸套松脫蕩和機組共壯振。通過研計算程序弟模擬有如值下規(guī)律：蝶輸水距離滲在庫1.漢2托～鞏5.0婆k度m孔范圍，管博線愈長，臟停泵水錘研值愈大，果水泵機組順倒轉(zhuǎn)愈嚴(yán)增重。管線許長度超階過悔5.0綿k讀m淡，長度繼遣續(xù)增加對沙水錘值影乞響較小。駐幾何揚程蝴增高，最妻大水錘值鄭和水泵機轟組倒轉(zhuǎn)值裁均有增加搬，當(dāng)幾何乏揚程昏＞引50諒m議時，水泵崗機組倒轉(zhuǎn)炒值將持續(xù)齡超過額定旬正轉(zhuǎn)莊速咽(榜β見max臨/蛙β討n駁≤線-1.0舅)劫，超過規(guī)比范的允許勉范圍。在娘這種情況通下應(yīng)與水爹泵制造廠攤聯(lián)系采取洪相應(yīng)的技膽術(shù)措施以翻確保水泵識在倒轉(zhuǎn)運鍛行工況下魔安全。對鏡于無逆止銷閥管路選包用轉(zhuǎn)你矩咸(Mn銹)爬較小、轉(zhuǎn)歸動慣屈量萌(角GD畫2隸)須較大的水劣泵機組將恨有利于改賽善停泵水橡錘發(fā)生時部的水泵和拌管路工況態(tài)，推遲水惜泵的倒轉(zhuǎn)宴，降低倒吃轉(zhuǎn)值。酒②瘡對于裝貴有普通止鋼回閥的管茂路系統(tǒng)裝這種停絡(luò)泵水錘的墊情況較為亮嚴(yán)重，最灘大的水錘隸值為幾何次揚程個的粒1.9引0震倍左右。屠輸水距離村在器1.菠2燙～坡5.0那k漢m奇范圍楚時茅,嬌管線愈剪長趙,滾凈停泵水錘霜值愈大。永管線長度寸超瘡過緒5.0奪k紛m盲，長度繼貪續(xù)增加對膀上述參數(shù)祥影響較小離。幾何揚攔程增高，剖停泵水錘踐值也愈大我。對于取緒水泵房，蹈若條件許寇可（輸水儲管路較短阻，水泵允酒許短時間棗倒轉(zhuǎn)），戴可取消普謝通逆止閥慘。如果采蹦用了普通雁逆止閥，榨則水泵機憲組、管路折配件和管某路系統(tǒng)的狹耐壓等級耕和穩(wěn)定性樣均應(yīng)考慮凍最大水錘蝴壓力值。和③柏對于裝竿有緩閉逆噴止閥的管霞路系統(tǒng)晃緩閉逆雀止閥對于糟降低停泵漁水錘有明謹(jǐn)顯效果。青緩閉逆止碑閥的使用悲應(yīng)結(jié)合具傭體情況，剩快慢兩個攪階段的關(guān)曉閥歷時應(yīng)裙根據(jù)泵房梳水泵性能輕和輸水管藥路的邊界松條件進(jìn)行搏計算機尼模擬，得昏出最佳的戴理論時間伴組合，并投在試驗運鉛行中調(diào)整肺，以期獲蘇得最佳關(guān)蹤閥歷時和諸快慢兩個兇階段的關(guān)天閥歷時的喊分配。如送果關(guān)閥時視間長于或因短于最佳斬關(guān)閥歷時智或快慢兩項個階段的產(chǎn)關(guān)閥歷時罷采用不當(dāng)半，均會導(dǎo)齊致產(chǎn)生很溜大的水錘銷壓力值。毒計算機模引擬結(jié)果表糧明：調(diào)整晴理想的緩客閉逆止閥蜜管路的停與泵水錘值飾可控制為亂幾何揚程開的走1.4而5聰倍左右，獄而非理想始狀況下的算緩閉逆止脈閥管路的衫最大停泵從水錘值可菠達(dá)幾何揚功程男的曾2.竿5癥～步2.泡8樹倍。此外豬，快慢兩議個階段的厭關(guān)閥歷時罷的選用也式是很有講拒究的，一館般要求停手泵紋后粘5佩s唯內(nèi)應(yīng)關(guān)閉蓋閥門代的父80易%蔽以上。若棕整個關(guān)閥逗歷程是勻扮速的也會濾導(dǎo)致產(chǎn)生璃較大的水甜錘壓力，束模擬結(jié)果椒如豐表刃5企。印槍表念5主緩閉逆假止閥模擬干結(jié)果狹關(guān)閥歷時莫及快慢時徹間分配托模擬最佳黑關(guān)閥歷時構(gòu)及快慢時虜間分配箱其他關(guān)閥拼歷時及快廚慢時間分腦配情況匪1乘2同3粘4撥關(guān)閥歷床時餡(扎s)廟18塑18旋24嘉9隨18鑒快關(guān)時鼻間彈(悅關(guān)辣閉趣80帖%級，摧s)上3槐均勻關(guān)閉晨3飯3符6述慢關(guān)時意間登(障關(guān)閉剩余戶的恨20醬%傅，振s)惰15揀21沙6肝12前最大停泵挎水錘辮值裁(括kPa)撓900(寇91.8調(diào)m)梯131色5(13政4.2有m)梯172少6(17勒6.1芝m)慚132內(nèi)4(13間5.1峰m)侵106狡3(10蛇8.5尸m)飯基本參數(shù)聞：幾何揚岡程析62班m鍵，三臺水遷泵并聯(lián)工奉作，輸水周管烘路頌1.3養(yǎng)k礙m已，管靜徑大1.0捷m明?？症苌谄胀嫠浦归y管路憲中有彌合抄水錘發(fā)生壓在輸打水管路布艦線時應(yīng)盡隆量避免縱抵坡的突然匪變占化表,困特別要防浸止出淚現(xiàn)進(jìn)“度駝峰或膝木部喇”慧，否則可鋸能導(dǎo)致發(fā)瞎生彌合水寒錘，而彌醬合水錘的竿最大壓力投值為幾何仆揚程似的嶄3敞～易5賺鑒倍，其對值泵房和輸規(guī)水管路系甜統(tǒng)將產(chǎn)生乓極大的危稱害。一般旋情況下，危駝峰出現(xiàn)押處的高程售為幾何揚所程化的變30妹%夠～藝80宮%肉時最為不鐘利（水錘跪值最大）昌。根據(jù)模質(zhì)擬運算，那當(dāng)幾何揚釀程置在聾25羨m雹以上且管否路中一定騾的高程位蟻置存匙在缺“削駝峰或膝淋部籃”掩，其最大聰彌合水錘呼值將超萬過滾980年kPa(拆100舊m盟水偶柱逐)垃。對于彌代合水錘不療可避免的永情況（已字經(jīng)建成的倆輸水系統(tǒng)顏中存在駝店峰），則透應(yīng)采取工顧程技術(shù)措籍施進(jìn)行水宰錘防護亮。俱械3瘡?fù)１盟傚N防護措逃施皺由于矮停泵水錘累可能導(dǎo)致怎泵站和輸范水系統(tǒng)發(fā)址生嚴(yán)重事盒故（如泵壺房內(nèi)設(shè)備燒或管道破炊裂導(dǎo)致泵梢房淹沒，編輸水管破賤裂導(dǎo)致沿糟途房屋漬羞水），因笑此有必要筑根據(jù)具體艇情況采取芝相應(yīng)的措砌施來消除費停泵水錘或或消減水功錘壓力?；偌s降低輸握水管線的往流速，可容在一定程佩度上降低謀水錘壓力壇，但會增中大輸水管債管徑，增蔬加工程蕩投資芒。抬②傭輸水管宴線布置時嗎應(yīng)考慮盡前量避免出聽現(xiàn)駝峰或舊坡度劇變駛。掙③猴通過模桑擬計算，執(zhí)選用轉(zhuǎn)動化慣僵量羞GD穗2正較大的水凍泵機組或普加裝有足嘆夠慣性的久飛輪，可毛在一定程寇度上降低警水錘值。羅④吧設(shè)置水蠻錘消除裝腳置渡此a通.仿雙向調(diào)奴壓塔：在接泵站附近耽或管道的柳適當(dāng)位置毯修建，雙那向調(diào)壓塔粒的水面高所度應(yīng)高于限輸水管道帥終點接收脖水池的水踩面高度并超考慮沿管獸道的水頭聚損失。調(diào)歡壓塔將隨罵著管路中兇的壓力變壯化向管道究補水或泄加掉管路中班的過高壓筑力，從而疊有效地避偷免或降低省水錘壓力碼。這種方谷式工作安臟全可靠，律但其應(yīng)用狹受到泵站旨壓力和周植邊地形的墊限制。賴影b后.共單向調(diào)中壓塔：在吳泵站附近振或管道的