如何防止輸水管道工程水錘

摘要：介紹了輸水管道輸送水的過程中引起水錘的幾種原因，以及產生水錘的初步分析計算，以便進行泵殼、管道、支墩的強度計算，以及選配管道、閥件，復核管道的穩定性，選擇水泵出口閥門型式、關閥程序。后提出幾種防護措施供選擇，以消除輸水過程中水錘造成的破壞。
關鍵詞：輸水管道；水錘；防護設計
水錘又稱水擊。水(或其他液體)輸送過程中，由于閥門突然開啟或關閉、水泵突然停車、驟然啟閉導葉等原因，使流速發生突然變化，同時壓強產生大幅度波動的現象。長距離輸水工程應進行必要的水錘分析計算，并對管路系統采取水錘綜合防護計算，根據管道縱向布置、管徑、設計水量、功能要求，確定空氣閥的數量、型式、口徑。

  隨著我國經濟的高速發展,人們對水的需求日益增長,為了解決日趨尖銳的水資源供需矛盾,越來越多的城市開始興建長距離的大型輸水工程。為了保證供水系統的運行安全,防止系統中發生瞬變流現象而導致水錘事故,需對供水系統進行認真的水錘分析、預測和模擬各種工況下水錘的發生和傳播規律。根據輸水系統的實際特點,設計合理、有效、經濟的水錘防護措施。 在長距離輸水管線中,尤以高揚程、多起伏管道水錘防護難度大,發生水錘事故多。因此,實際工程更需要這方面的技術,本研究專為此進行了探索。

1、闡述了氣、水兩相流在輸水管道中的各種流態,以及流態間的轉化關系,并對氣液兩相流的各種數學模型進行了總結。據此對管道排氣技術提出了要求。

2、闡述管道中的氣體來源和存氣部位,分析比較了各種排氣閥的工作原理、性能和優缺點,為工程中排氣閥的選擇提供了依據。

3、對高揚程、多起伏的長距離輸水管道的水錘防護措施進行了說明;并對管線防護中的斷流水錘進行了分析,依據斷流空腔內的介質以及彌合的方式對斷流彌合水錘進行了分類及彌合升壓分析。根據工程實際對高揚程、多起伏的管道系統提出了防護方案的選擇步驟。

4、建立了水錘計算的基本數學模型,并給出了高揚程、多起伏的管路系統中的各類邊界條件的計算公式及應用條件,對現用的排氣閥邊界條件進行了修正。

5、分別以榆林和大連兩條輸水管線為例進行了水錘防護優化。通過計算對各種斷流防護措施進行了比較,對水泵的關閉和運行進行了優化。通過計算驗證了不同性能的排氣閥在水錘防護過程中的不同效果。根據計算得出具有恒速緩沖功能的排氣閥是高揚程多起伏的長距離輸水管道的斷流彌合水錘的基本防護措施。

1水錘發生的原因與分類

1.1引起水錘過程的原因

(1)啟泵、停泵、用啟閉閥門或改變水泵轉速、葉片角度調節流量時；尤其在迅速操作、使水流速度發生急劇變化的情況。
(2)事故停泵，即運行中的水泵動力突然中斷時停泵。較多見的是配電系統故障、誤操作、雷擊等情況下的突然停泵。

1.2水錘破壞主要的表現形式

(1)水錘壓力過高，引起水泵、閥門和管道破壞；或水錘壓力過低，管道因失穩而破壞。
(2)水泵反轉速過高或與水泵機組的臨界轉速相重合，以及突然停止反轉過程或電動機再啟動，從而引起電動機轉子的*變形，水泵機組的劇烈振動和聯結軸的斷裂。
(3)水泵倒流量過大，引起管網壓力下降，水量減小，影響正常供水。
1.3.水錘的分類與判別

(1)按產生水錘的原因可分為：關（開）閥水錘、啟泵水錘和停泵水錘；
(2)按產生水錘時管道水流狀態可分為：不出現水柱中斷與出現水柱中斷兩類。前者水錘壓力上升值△H通常不大于水泵額定揚程HR或水泵工作水頭H0稱正常水錘；后者當水柱再彌合時，水錘壓力上升值較高，常大于HR或H0，是引起水錘事故的重要原因，故稱非常水錘。

在有壓力管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關閉、水泵機組突然停車）使水的流速突然發生變化，從而引起壓強急劇升高和降低的交替變化，為種水力現象稱為水擊或水錘。 因開泵、停泵、開關閘閥過于快速，使水的速度發生急劇變化，特別是突然停泵引起水錘，可以破壞管道、水泵、閥門、并引起水泵反轉，管網壓力降低等，所以，預防水錘發生極為重要，平時預防水錘發生的措施主要有以下幾個方法：

a.開關閥門過快引起的水錘：

（1） 延長開閥和關閥時間。

（2） 離心泵和混凝泵應在閥門半閉15%-30%時而不是全關時停泵。

b.泵引起的水錘

（1） 排除管道然內的空氣，使管道內充滿水后再開啟水泵，凡是長距離輸水管道的高起部位都應設自動排氣閥。

（2） 停泵水錘主要因出水管止回閥關閉過快引起，因此，取消止回閥可以消除停水泵水錘的危害，并且可以減少水頭損失，節約電耗；目前經過一些大城市的實驗，認為一級泵房可以取消，二級泵房不易取消；取消止回閥時應進行停水錘壓力計算，為減少和消除水錘，目前常在大口徑管道上安裝微阻緩閉止回閥。采用緩沖止回閥、微閉蝶閥安裝在大口徑的水泵出水管上，可有效的消除停泵水錘，但因閥門動作時有一定的不量倒流，吸水井須有溢流管。緊靠止回閥并在其下游安裝水錘消除器。
   所謂水柱中斷，就是在水錘過程中，由于管道某處壓力低于水的汽化壓力而產生，即：
Pi/γ+Pa/γ≤Ps/γ                                                    (1-1)
式中： Pi/γ—管道中某點的壓力（M）；      
Pa/γ—大氣壓力（M）；
Ps/γ—水的飽和蒸汽壓力（壓力），在常溫下取2-3M；
γ—水的容重。
(3)對于關（開）閥水錘，與關（開）閥時間T。有關可分為：
    直接水錘：
Tc＜Tγ                                   （1-2）
    間接水錘：
 Tc＞Tγ                                   (1-3)
    式中：Tγ—水錘相（秒），見公式（1-12）。
1.4水錘特征的計算

1.4.1水錘傳播速度
α對于均質管道輸送清水，且不考慮水中所含空氣時按下式計算：                      (1-13)

當管道面積及材料性質沿 不變時，
= = (S)                            (1-14)
式中： ——管道初始流量（M3/S）；
      ——管道初始揚程（M）；
        ——管道初始流速（M/S）；
       ——管道面積（M2）。（注腳i代表不同管段和數值）。
1.4.4管路常數2ρ

  2ρ按下式計算：
                                (1-15）
1.4.5機組時間常數

式中： ——水泵機組的飛輪慣量（kg·m2），一般可以取電動機的 的1.1～1.2倍，電動機 可由樣本上查得或由電動廠提供；
——水泵額定轉矩（kg·m）可用下式計算：
=  ,其中
    ——水泵額定軸功率（kw）；
      ——水泵額定轉數（轉/分）。
2、水錘計算目的、方法與參數標準

2.1計算目的

計算壓力水系統在各種工況時水錘過程的目的在于：
（1）提供大水錘壓力上升值Δ ，以便進行泵殼、管道、支墩的強度計算，以及選配管道、閥件。
（2）提供管道沿線主要點，如水泵出口（或出口閥門、逆止閥）、管道中點、管道隆起點的大降壓值Δ ，以便復核管道的穩定性。
（3）提供各種停泵不關閥工況的時間特征值，作為選擇水泵出口閥門型式、關閥程序的依據，這些特征值是：
       ——從水泵動力切斷到輸水管道水體流動方向開始改變的時間，又稱水泵出現零流量時間（S）
——從水泵動力切斷到水泵轉動方向開始改變的時間，又稱水泵出現零轉速時間（S）。
——從水泵動力切斷到水泵出現高反轉速時間（S）。
   以上特征值的意義及停泵不關閥的水錘過程線是評價水泵裝置設計好壞以及提出防護措施的基礎。
（4）提供水泵機組在作制動工況、水輪機工況運行時，可能出現的大倒流量 ，大反轉速 ，是否滿足設計標準或要求。
2.2非常水錘壓力估算

（1)當兩水柱再彌合時即出現水柱沖擊，其壓力升高值按下式估算：
      式中： ， 彌合后水柱的運動速度為 。
（2)當水泵出口設有止回閥，并在止回閥后水柱再彌合時，其壓力升高按下式估算：
  （m/s）                                     (2-2)
式中：υ——為水柱沖擊閥門或止回閥時的速度(m/s)，可按下式估算：
①       如果在管道水流開始倒流時止回閥關閉，則 （管道初始流速）（m/s）。
②       如果在管道水流倒后止回閥關閉，則υ可按下式估算：
 （m/s）                           (2-3)
式中： ——出水池水面到止回閥門處的幾何高度（M）；
——出水池水面到止回閥門處管道正常運行時水頭損失（M）。
③             非常水錘對中、低壓供水系統危害性特別大，應當注意加以防止。
2.3水錘參數標準

泵和輸水管路發生水錘過程時，水泵及管道的壓力H、流速υ和水泵轉矩M均隨時間t而變化；當水泵啟、停時還會發生水泵轉速n的變化，甚至旋轉方向的改變。
目前我國尚未規定水泵與壓力輸水管水錘參數的標準，根據水電站設計等有關標準，提出如下數值作為設計參數。
(1)大的水錘壓力上升值 用下式計算：
                                   (2-4)
          式中： ——水泵額定揚程（M）；
                ——大水錘壓力增值（M）；
                 （M），其中 ——大水錘壓力（M）。應不大于水泵、管道及閥門的試驗壓力或按表3-1采用允許 值水泵或壓力管道的水頭（M）

(2)因水錘壓力下降,管道出現低壓力 的允許值,建議應大于所輸水體水溫所對應的飽和水蒸氣壓力( /γ)；使水流不出現水柱中斷，當水柱中斷是不可避免時，應研究是否采取防護措施。
(3)允許大的水泵反轉速上升高值 ：
                                   (2-5)
式中： ——水泵額定轉速（轉/分）；
 其中： ——水泵大反轉速（轉/分）。
水泵作反轉運行時，即為水輪機工況，應參照水輪機的有關規定，并考慮水泵的臨介轉速。水泵的臨介轉速應由水泵廠提供，一般建議 以不大于0.2為宜。
(4) 對于倒流量的 的允許值，應由供水的對象及其重要性來決定。
 3 停泵水錘防護措施
由于停泵水錘可能導致泵站和輸水系統發生嚴重事故（如泵房內設備或管道破裂導致泵房淹沒，輸水管破裂導致沿途房屋漬水），因此有必要根據具體情況采取相應的措施來消除停泵水錘或消減水錘壓力。
(1)降低輸水管線的流速，可在一定程度上降低水錘壓力，但會增大輸水管管徑，增加工程投資。
(2)輸水管線布置時應考慮盡量避免出現駝峰或坡度劇變。
(3)通過模擬，選用轉動慣量GD2較大的水泵機組或加裝有足夠慣性的飛輪，可在一定程度上降低水錘值。
(4)設置水錘消除裝置
①調壓室：調壓室是一個鋼制或鋼筋混凝土的水箱，壓力管道上的調壓室有單向與雙向調壓室兩種。
②氣壓罐：國內使用經驗不多，在國外（英國）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水或吸收管路中的過高壓力，其作用與雙向調壓塔類似
③水錘消除器：水錘消除器能在無需阻止流體流動的情況下，有效地消除各類流體在傳輸系統可能產生的水外錘和浪涌發生的不規則水擊波震蕩，從而達到消除具有破壞性的沖擊波，起到保護之目的。80 年代以前曾經廣為采用。它安裝于止回閥附近，某些水錘消除器無自動復位功能，容易因誤操作導致發生水錘。
④緩閉止回閥：有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據需要在一定范圍內對閥門關閉時間進行調整。一般在停電后3～7 s內閥門關閉70%～80%，剩余20%～30%的關閉時間則根據水泵和管路的情況調節，一般在10～30 s范圍。可以利用計算機模擬*時間，并現場調試確定。值得注意的是，當管路中存在駝峰而發生彌合水錘時，緩閉止回閥的作用就十分有限。