如何防止输水管道工程水锤

摘要：介绍了输水管道输送水的过程中引起水锤的几种原因，以及产生水锤的初步分析计算，以便进行泵壳、管道、支墩的强度计算，以及选配管道、阀件，复核管道的稳定性，选择水泵出口阀门型式、关阀程序。后提出几种防护措施供选择，以消除输水过程中水锤造成的破坏。
关键词：输水管道；水锤；防护设计
水锤又称水击。水(或其他液体)输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突然停车、骤然启闭导叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。长距离输水工程应进行必要的水锤分析计算，并对管路系统采取水锤综合防护计算，根据管道纵向布置、管径、设计水量、功能要求，确定空气阀的数量、型式、口径。

  随着我国经济的高速发展,人们对水的需求日益增长,为了解决日趋尖锐的水资源供需矛盾,越来越多的城市开始兴建长距离的大型输水工程。为了保证供水系统的运行安全,防止系统中发生瞬变流现象而导致水锤事故,需对供水系统进行认真的水锤分析、预测和模拟各种工况下水锤的发生和传播规律。根据输水系统的实际特点,设计合理、有效、经济的水锤防护措施。 在长距离输水管线中,尤以高扬程、多起伏管道水锤防护难度大,发生水锤事故多。因此,实际工程更需要这方面的技术,本研究专为此进行了探索。

1、阐述了气、水两相流在输水管道中的各种流态,以及流态间的转化关系,并对气液两相流的各种数学模型进行了总结。据此对管道排气技术提出了要求。

2、阐述管道中的麻豆黄色在线观看来源和存气部位,分析比较了各种排气阀的工作原理、性能和优缺点,为工程中排气阀的选择提供了依据。

3、对高扬程、多起伏的长距离输水管道的水锤防护措施进行了说明;并对管线防护中的断流水锤进行了分析,依据断流空腔内的介质以及弥合的方式对断流弥合水锤进行了分类及弥合升压分析。根据工程实际对高扬程、多起伏的管道系统提出了防护方案的选择步骤。

4、建立了水锤计算的基本数学模型,并给出了高扬程、多起伏的管路系统中的各类边界条件的计算公式及应用条件,对现用的排气阀边界条件进行了修正。

5、分别以榆林和大连两条输水管线为例进行了水锤防护优化。通过计算对各种断流防护措施进行了比较,对水泵的关闭和运行进行了优化。通过计算验证了不同性能的排气阀在水锤防护过程中的不同效果。根据计算得出具有恒速缓冲功能的排气阀是高扬程多起伏的长距离输水管道的断流弥合水锤的基本防护措施。

1水锤发生的原因与分类

1.1引起水锤过程的原因

(1)启泵、停泵、用启闭阀门或改变水泵转速、叶片角度调节流量时；尤其在迅速操作、使水流速度发生急剧变化的情况。
(2)事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时停泵。较多见的是配电系统故障、误操作、雷击等情况下的突然停泵。

1.2水锤破坏主要的表现形式

(1)水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低，管道因失稳而破坏。
(2)水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子的*变形，水泵机组的剧烈振动和联结轴的断裂。
(3)水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响正常供水。
1.3.水锤的分类与判别

(1)按产生水锤的原因可分为：关（开）阀水锤、启泵水锤和停泵水锤；
(2)按产生水锤时管道水流状态可分为：不出现水柱中断与出现水柱中断两类。前者水锤压力上升值△H通常不大于水泵额定扬程HR或水泵工作水头H0称正常水锤；后者当水柱再弥合时，水锤压力上升值较高，常大于HR或H0，是引起水锤事故的重要原因，故称非常水锤。

在有压力管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，为种水力现象称为水击或水锤。 因开泵、停泵、开关闸阀过于快速，使水的速度发生急剧变化，特别是突然停泵引起水锤，可以破坏管道、水泵、阀门、并引起水泵反转，管网压力降低等，所以，预防水锤发生极为重要，平时预防水锤发生的措施主要有以下几个方法：

a.开关阀门过快引起的水锤：

（1） 延长开阀和关阀时间。

（2） 离心泵和混凝泵应在阀门半闭15%-30%时而不是全关时停泵。

b.泵引起的水锤

（1） 排除管道然内的空气，使管道内充满水后再开启水泵，凡是长距离输水管道的高起部位都应设自动排气阀。

（2） 停泵水锤主要因出水管止回阀关闭过快引起，因此，取消止回阀可以消除停水泵水锤的危害，并且可以减少水头损失，节约电耗；目前经过一些大城市的实验，认为一级泵房可以取消，二级泵房不易取消；取消止回阀时应进行停水锤压力计算，为减少和消除水锤，目前常在大口径管道上安装微阻缓闭止回阀。采用缓冲止回阀、微闭蝶阀安装在大口径的水泵出水管上，可有效的消除停泵水锤，但因阀门动作时有一定的不量倒流，吸水井须有溢流管。紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器。
   所谓水柱中断，就是在水锤过程中，由于管道某处压力低于水的汽化压力而产生，即：
Pi/γ+Pa/γ≤Ps/γ                                                    (1-1)
式中： Pi/γ—管道中某点的压力（M）；      
Pa/γ—大气压力（M）；
Ps/γ—水的饱和国产精品51麻豆CM传媒压力（压力），在常温下取2-3M；
γ—水的容重。
(3)对于关（开）阀水锤，与关（开）阀时间T。有关可分为：
    直接水锤：
Tc＜Tγ                                   （1-2）
    间接水锤：
 Tc＞Tγ                                   (1-3)
    式中：Tγ—水锤相（秒），见公式（1-12）。
1.4水锤特征的计算

1.4.1水锤传播速度
α对于均质管道输送清水，且不考虑水中所含空气时按下式计算：                      (1-13)

当管道面积及材料性质沿 不变时，
= = (S)                            (1-14)
式中： ——管道初始流量（M3/S）；
      ——管道初始扬程（M）；
        ——管道初始流速（M/S）；
       ——管道面积（M2）。（注脚i代表不同管段和数值）。
1.4.4管路常数2ρ

  2ρ按下式计算：
                                (1-15）
1.4.5机组时间常数

式中： ——水泵机组的飞轮惯量（kg·m2），一般可以取电动机的 的1.1～1.2倍，电动机 可由样本上查得或由电动厂提供；
——水泵额定转矩（kg·m）可用下式计算：
=  ,其中
    ——水泵额定轴功率（kw）；
      ——水泵额定转数（转/分）。
2、水锤计算目的、方法与参数标准

2.1计算目的

计算压力水系统在各种工况时水锤过程的目的在于：
（1）提供大水锤压力上升值Δ ，以便进行泵壳、管道、支墩的强度计算，以及选配管道、阀件。
（2）提供管道沿线主要点，如水泵出口（或出口阀门、逆止阀）、管道中点、管道隆起点的大降压值Δ ，以便复核管道的稳定性。
（3）提供各种停泵不关阀工况的时间特征值，作为选择水泵出口阀门型式、关阀程序的依据，这些特征值是：
       ——从水泵动力切断到输水管道水体流动方向开始改变的时间，又称水泵出现零流量时间（S）
——从水泵动力切断到水泵转动方向开始改变的时间，又称水泵出现零转速时间（S）。
——从水泵动力切断到水泵出现高反转速时间（S）。
   以上特征值的意义及停泵不关阀的水锤过程线是评价水泵装置设计好坏以及提出防护措施的基础。
（4）提供水泵机组在作制动工况、水轮机工况运行时，可能出现的大倒流量 ，大反转速 ，是否满足设计标准或要求。
2.2非常水锤压力估算

（1)当两水柱再弥合时即出现水柱冲击，其压力升高值按下式估算：
      式中： ， 弥合后水柱的运动速度为 。
（2)当水泵出口设有止回阀，并在止回阀后水柱再弥合时，其压力升高按下式估算：
  （m/s）                                     (2-2)
式中：υ——为水柱冲击阀门或止回阀时的速度(m/s)，可按下式估算：
①       如果在管道水流开始倒流时止回阀关闭，则 （管道初始流速）（m/s）。
②       如果在管道水流倒后止回阀关闭，则υ可按下式估算：
 （m/s）                           (2-3)
式中： ——出水池水面到止回阀门处的几何高度（M）；
——出水池水面到止回阀门处管道正常运行时水头损失（M）。
③             非常水锤对中、低压供水系统危害性特别大，应当注意加以防止。
2.3水锤参数标准

泵和输水管路发生水锤过程时，水泵及管道的压力H、流速υ和水泵转矩M均随时间t而变化；当水泵启、停时还会发生水泵转速n的变化，甚至旋转方向的改变。
目前我国尚未规定水泵与压力输水管水锤参数的标准，根据水电站设计等有关标准，提出如下数值作为设计参数。
(1)大的水锤压力上升值 用下式计算：
                                   (2-4)
          式中： ——水泵额定扬程（M）；
                ——大水锤压力增值（M）；
                 （M），其中 ——大水锤压力（M）。应不大于水泵、管道及阀门的试验压力或按表3-1采用允许 值水泵或压力管道的水头（M）

(2)因水锤压力下降,管道出现低压力 的允许值,建议应大于所输水体水温所对应的饱和水蒸气压力( /γ)；使水流不出现水柱中断，当水柱中断是不可避免时，应研究是否采取防护措施。
(3)允许大的水泵反转速上升高值 ：
                                   (2-5)
式中： ——水泵额定转速（转/分）；
 其中： ——水泵大反转速（转/分）。
水泵作反转运行时，即为水轮机工况，应参照水轮机的有关规定，并考虑水泵的临介转速。水泵的临介转速应由水泵厂提供，一般建议 以不大于0.2为宜。
(4) 对于倒流量的 的允许值，应由供水的对象及其重要性来决定。
 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，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
①调压室：调压室是一个钢制或钢筋混凝土的水箱，压力管道上的调压室有单向与双向调压室两种。
②气压罐：国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。它利用麻豆黄色在线观看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
③水锤消除器：水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护之目的。80 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，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。
④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*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。