各种水锤防护装置及其适用场合.doc

各种水锤防护装置（或方法）及其适用场合能源动力系统及自动化三班 何强锋 2009302650062摘要：本文论述了各种水锤防护装置（或方法）及其适用场合。关键词：水锤 水锤防护在压力管道中，由于水流流速因某些原因突然变化，引起水流动量的急剧变化，进而在管道中产生一个相应的冲量，使水流压力急剧上升或降低的现象，成为水锤或水力过渡现象（又叫水击）。水流是具有惯性的，在泵站中，当水泵突然启动、停止或为调节流量而启用阀门，都将使水流速度发生变化而产生惯性力，惯性力的大小等于水流质量m与加速度的乘机，方向与加速度方向相反。在出水管路中，这个惯性力就表现为水锤压力。泵站水锤有启动水锤、关阀水锤和停泵水锤。一般情况下，启动水锤压力不大，只是当管内空气不能及时排出而被压缩才会加剧水流的压力变化。关阀水锤在正常操作时不会引起较大的压力波动。最危险的是由于突然停电或误操作造成的事故停泵所产生的停泵水锤，此种情况下的水锤压力较大，有时可达正常压力的数倍，将会对泵站造成很大的破坏性事故。因此，在泵站及其压力管道的设计时，通常将防护停泵水锤事故作为主要防护手段。在泵站工程中往往由于规划设计考虑不周或不合理的运行操作，导致水锤事故，使水泵出水管道、阀门遭到破坏，甚至使泵房被淹，供水中断，造成重大损失；或者，因担心水锤事故发生盲目地套用不恰当的防护措施，这不仅造成工程上的浪费，甚至得到相反的技术后果。因此，如何准确而周到的选定安全可靠、经济适用的停泵水锤及其防护措施及其设备，自然是泵站管路系统设计的首要任务。1合理布置管线布置管线时，应尽可能地使管道纵断面平顺的上升而不形成驼峰凸部，或采用先缓后陡的形式。如果由水泵出口开始先陡后缓，则停泵过程中压力下降有可能在管道的凸部的拐点处引起降压过大；当其压力小于水的汽化压力并持续一定的时间，则将可能产生“水柱分离”现象；倘若能够将管线的布置形式改变成先缓后陡的布置形式，则可避免或减缓降压过程中产生负压。管线的布置形式是按照地形确定的，变更管线的布置形式不是所有的场合都能做到的。如果增加挖方量不大，或者可以选择另外的站址，则应进行多种布置方案的经济比较。2降低管中流速管中流速降低后，水流的惯性相应减小，管道特性常数减小，从而降低水锤升压和降压。但是，加大管径，则可能增加工程造价，因而管径主要取决于减小管道摩擦损失和经济性。结合水锤防护，在设计泵和计算管径时，应进行综合考虑。在某些特殊场合下，为了避免用昂贵的水锤设备，采取增大管径的措施也可能是经济的。3降低水锤波传播速度水锤波速度减小，管道特性常数也减小，水锤往返管道依次所需的时间增大，也可起到减小水锤压力变化的作用。在设计管道时，若选择水锤波传播速度小的管材，在不影响管道强度的条件下，可适当减小管壁厚度；在特殊条件下，向管道中适量地补充空气，或采用椭圆形截面管道等，都可以起到减小水锤波传播速度的作用。但一般而言，水锤波传播速度的变化范围是有限的，在实际工程，对防护水锤的作用很小，有时只在实验室进行有关模型实验。4合理选择阀门形式，延长阀门启闭时间阀门的形式不同，在不同开度情况下的损失系数也不相同。在相同的关阀条件下，全闭点附近特性变化比较均匀的阀门（如蝶阀、针阀等），其压力上升较小。普通逆止阀在关阀时产生很高的升压，应尽可能地少采用或不采用。对于高扬程、大流量、长管道的泵站系统，为了防止水流倒泄和水泵机组反转，而又不产生过高的水锤升压，则可采用各种形式的缓闭式逆止阀或两阶段关闭的可控阀，并合理地进行调节计算，有效地控制关闭过程。阀门慢慢的开启和关闭，可减小流速的变化率，因此，可减小水锤压力的升高和降低；但关闭的时间还受水泵的运行条件及阀门驱动机构等条件的限制，一般应综合考虑。5调压塔双向调压塔对于输水干管而言，双向调压塔是一种兼具注水和泄水缓冲式的水锤防护设备，其主要设置目的是：防止压力输水干管中产生负压。当管路中水锤压力升高时，它允许高压水流进入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。双向调压塔其构造为一开口的水池大水柱，装设于输水干管上易于发生水柱分离的高点或折点处，而且该处水头线超出地面不高。当发生突然事故停泵时，它能向管路中补充水，以防止水柱分离，可有效的消减断流弥合水锤升压。双向调压塔有溢流式和非溢流式两种。溢流式的溢流堰口标高可略高于水泵的正常水压。当管路中压力升高时，水自塔顶溢流以维持压力不再升高。 在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。6防止启泵水锤 1、排除管道空气，使管道充满水后再开启水泵。凡是长距离输水管道的隆起处各点应设置自动排气阀或设置充水设施。 2、当水泵必须在空管启动时，可采用分阶段开阀启泵方式。 先将水泵出口阀门打开15%30%（蝶阀可先开150300），管道上其余阀门全部开启。 然后启动水泵。 待管道充满水后再将水泵出水口阀门全开或开到所需的角度。7单向调压塔和单向调压池 在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。单向调压塔应当设置于输水干线上易于产生负压和水柱分离的诸主要特意点处（如主要峰点、膝部折点、驼峰及鱼背等处）。它的主要组成部分是：体积不是很大的水箱或容器、带有普通止回阀的向主干管中注水的注水管以及向调压塔容器中充水的满水管。单向调压塔又称为低位调压塔，其箱中设计水位不需要达到水泵正常工作时的水力坡度线；与双向调压塔相比，其水箱（容器）的安装高度可以大大地降低，而水箱的容积只要满足设计要求即可，也不很大，具有很高的经济性，因此在在停泵水锤危害综合防护中得到了广泛地应用。8注空气（缓冲）用阀“注空气（缓冲）”是指停泵水锤过程中，当管路上某特异点（如驼峰、膝部或峰顶等）处的压强低于当地大气压强时，大气中的空气经过特制的注气阀被吸入管路内，从而防止了真空的进一步提高。当回冲水流及升压波返回时，即空腔体积开始缩小时，阀门自动关死，腔中空气受到一定的压缩并使回冲流速减小起到了空气垫的作用，从而对断流空腔弥合水锤的升压起到缓冲和降低的作用。由此可见，“注空气（缓冲）”是一项消减水柱分离危害的很有效的技术措施，而它使用的设备就是注空气（缓冲）用阀。注空气（缓冲）用阀实质上是一种只进气不排气的阀门，颇类似空气止回阀（逆止阀），西方称作真空释放阀或真空破坏阀；前苏联则称为防真空（通气）阀或充气阀。9空气罐空气罐是一种内部充有一定量压缩空气的金属水罐装置。它直接安装在水泵出口附近的管路上。其消除停泵水锤升降压的原理是，当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。它利用气体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。 空气（压力）罐通常适用于设备流量较小，杨程较高，控制压力变化范围较广的情况。10停泵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。水锤消除器的内部有一密闭的容气腔，下端为一活塞，当冲击波传入水锤消除器时，水击波作用于活塞上，活塞将往容气腔方向运动。活塞运动的行程与容气腔内的气体压力、水击波大小有关，活塞在一定压力的气体和不规则水击双重作用下，做上下运动，形成一个动态的平衡，这样就有效地消除了不规则的水击波震荡。停泵水锤消除器可分为下开式停泵水锤消除器、自动复位下开式水锤消除器、自闭式水锤消除器。80 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。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。 11蓄能式液控缓闭蝶阀蓄能式液控缓闭止回蝶阀应用在水泵出口，兼有闸阀和止回阀的功能，是一种能按预先调定好的程序，分开关和缓闭两阶段的动作来防止水泵倒转、消除水锤对管网破坏的理想设备。主要由阀体、蝶板、阀轴、阀体密封圈、液压站、电气柜等组成。两阶段关闭蝶阀，是国内外近20年研制出来的一种比较新型的特殊的出水阀门。该阀除具有普通蝶阀所具有的优点外，还能消除（一般）水锤危害和节能。两阶段关闭的蝶阀在运作上要求：在水泵启动时，能够先慢后快的自行开启；在事故突然停泵时，能够自动的先快关至某一角度，余下的角度则以相当慢的速度关完。这样，无论在正常启闭水泵过程，或在突然断电后的水利过渡过程中，它能消除水锤危害，又不致使大量水倒泄并使机组长期反转。由此可见，该阀在功能上，既具有水泵出口操作阀门的作用，又有止回阀和水锤防护设备的作用，起到一阀三用的功能。目前分为：重锤蓄能式液控两阶段关闭缓闭蝶阀和蓄能罐式液控缓闭止回蝶阀。12缓闭止回阀缓闭止回阀又称逆止阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。启闭件靠介质流动和力量自行开启或关闭，以防止介质倒流的阀门叫止回阀。止回阀属于自动阀类，主要用于介质单向流动的管道上，只允许介质向一个方向流动，以防止发生事故。本类阀门在管道中一般应当水平安装。作用原理：通过汽缸塞的上下移动，协助阀瓣快速启闭以达到密封面。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37 s内阀门关闭7080，剩余2030的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在1030 s范围。可以利用计算机模拟最佳时间，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。13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在水泵机组主轴上增装惯性飞轮是为了加大水泵机组转动部分的转动惯量或飞轮力矩，而。根据理论力学中动量矩定理的原理知：水泵机组事故失电后，机组轴上所受减速矩等于转动惯量与角减速度的乘积，即由上式可见，机组转子转动惯量越大，则角减速度的绝对值越小，即机组转数降低的速率很慢，转数下降率小，从而延长了水泵机组的正常水泵工况历史，使水泵机组依靠惯性继续以缓慢降低的速率向管路中补充水，从而有效地避免了管路中流速和水压的急剧降低，改善了水利过渡过程中压力猛烈波动状况；在一定的距离范围内减少了水柱分离的危险。此防护措施仅适用于卧式水泵机组。14取消普通止回阀根据国内外大量实测资料证明，在水泵压水管路上取消普通旋起式止回阀（逆止阀），对于消除停泵水锤危害是比较有效地方法。取消止回阀后，最大停泵水锤升压值可通过数解综合法、图解法或电算法求的，一般可以得到比较精确的结果。但是，在城镇管网中大量倒泄流量将使水厂造成事故。在实际工程中，取消止回阀可以降低水泵正常运行能耗，但也应结合具体条件作多方面考虑。如果取水泵站远离净水厂，而且，当地电源又不稳定时，则应考虑到每次断电后，大量原水浪费的经济损失，以及长管路中出现水柱分离现象的可能性等。此法仅适用于低杨程非并联的泵系统。15爆破膜片泵站压水管路上装设金属爆破膜片（铝质片、紫铜片等），类似电路上安装保险丝，电力变压器上设置防爆管一样。当管路中由于水锤升压超过预定值时，膜片自行爆破，水流外泄，起到泄水降压消除水锤效果。爆破膜片是一薄金属圆板，一般安装在止回阀出水侧主管路旁的支管端部，呈“盲肠”状。采用爆破膜片来作为水锤防护措施，具有结构简单、拆装方便以及成本低廉等优点。但目前没有定型生产的膜片出售，一般现场制作的膜片，受到材质及膜片固定方式等影响，较难十分准确地确定其额定爆破压力。所以，实际工程中对该防护措施尚未普遍推广；有的也仅作为水锤防护措施中的后备保护来应用。16设置多级止回阀在较长的输水管路中，增设一个或多个止回阀，把输水管划分成几段，每段上均设止回阀。当水锤过程中输水管中水倒流时，各止回阀相继关闭把回冲水流分成数段，由于每段输水管（或回冲水流段）内静水压头相当小，从而降低了水锤升压。此项防护措施，可有效的用于几何供水高很大的情况；但不能消除水柱分离的可能性。其最大的缺点是：正常运行时水泵电耗增大、供水成本提高。17在泵站内设置旁通管（阀）在泵系统正常运行时，由于水泵压水侧水压高于吸水侧的水压，止回阀关闭。当事故断电突然停泵后，水泵站出口处压力急剧降低，而吸水侧压力则猛升。在此差压下，吸水总管中的瞬态高压水即推开止回阀阀板流向压水总管的瞬态低压水，并使该处低水压有所升高；另一方面，使水泵吸水侧的水锤升压也得到降低。这样一来，水泵站两侧的水锤升、降压都得到控制，从而有效地减少和防止了水锤危害。旁通管的管径越大对防水锤越有利，可根据规定的压力界限，经计算后，确定其管径。18结合泵站工艺设计考虑通过计算对于水锤升压不大，水锤可能性又较多的场合，可采用适当放大管径，以降低正常运行时流速，以及局部加强管道的耐压能力等办法。19PLC自动控制系统采用PLC自动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。因供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。20安装泄压保护阀该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。 为了满足城乡人民的正常生产和生活用水需求，减少供水管网及设施的维修费用，降低供水管网压力低造成的社会影响，预防供水事故的发生，认识及消除不安全隐患，是非常有必要的21其他21.1减少输水管道长度，管线愈长，停泵水锤值愈大。由一个泵站变两个泵站，用吸水井把两个泵站衔接起来。21.2通过水锤计算，停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关，几何扬程愈高，停泵水锤值也愈大。因此，应根据当地实际情况选用合理的水泵扬程。21.3事故停泵后，应待止回阀后管道充满水再启动水泵。 21.4启泵时水泵出口阀门不要全开，否则会产生很大的水冲击。据调查分析国内几个泵站的重大水锤事故多在这种情况下产生。参考文献1金锥，姜乃昌，汪兴华，关兴旺编著，停泵水锤及其防护（第二版），中国建筑工业出版社2李亚峰，李清雪，吴永强主编，水泵及水泵站（多学时），机械工业出版社3刘竹溪，刘光临，泵站水锤及其防护，水利电力出版社4把多铎，马太玲主编，水泵及水泵站，中国水利水电出版社5王学芳，叶宏开，汤荣铭，何枫著，工业管道中的水锤，科学出版社