矿山排水系统设计阶段水锤的预防措施.pdf

第 3 1卷 第 4期 2 0 1 2年 1 1月 铀 矿 冶 URA NI U M M I NI NG AND M ETA I I URGY Vo 1 ． 31 NO ．4 NO V ． 2 Ol 2 矿 山排水 系统设计 阶段水锤 的预 防措施 吴东燕 ( 中核第 四研究设计工程有限公 司 ， 石家庄 0 5 0 0 2 1 ) 摘要 ： 介 绍矿 山排水 系统水锤事故发生的机制及种类 ， 通过计算停泵水锤的水锤压 头， 可直观地显 示出水锤 可 能产生 的危害程度 ， 有针对性地提 出在设计阶段为减少水锤事故发生应采取 的预防措施 。 关 键 词 ：矿 山排 水 ； 水 锤 ； 预 防措 施 中 图分 类 号 ：TD 7 4 4 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1 0 0 0 — 8 0 6 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4 — 0 1 7 4 — 0 4 矿 山排水 系统 是矿 山生产 系统 中的主要 系统 之 一 。水 锤事 故是 矿 山排 水系统 事故 中危 害最严 重 的一 种 事 故 ， 具 有 非 常 大 的破 坏 力 ： 事 故 发 生 时 ， 轻 则造 成 管道 破 裂 ， 出现跑 水 ； 重则 造 成设 备 损 坏 、 泵 房被 淹 ， 甚 至伤 及 操 作 人员 。因此 ， 笔 者 对 如何在 设计 阶段 防止矿 山排水 系统 在投入 使用 后 发生水 锤事 故 ， 并 使水 锤 事 故 的危 害 降 到最 低 的可能性 进行 探讨 。 l 水锤产 生的机制及种类 1 ． 1 水 锤产 生的机 制 液体 在管 道输 送 过程 中 ， 由于 管 道 中某 一 截 面 流速发 生变化 ( 这 种变 化 可 能 是正 常 的 流量 调 节 ， 或者是事故而使流量堵截) ， 从而使该 截面处 压力 产生 一个 骤然 的升 高 或下 跌 ， 这 个 压 力 瞬变 的现象 即为水 锤 。水 锤 实 际上 是 一 种压 力 波 ， 是 由于液体 的不 可压 缩 性 和运 动 的惯 性 ， 两 者 与管 材 弹性 的综合作 用 的结 果 ， 表 现 为很 强 的 冲击 性 和对 管路 系统 的破坏 性 。 1 ． 2水 锤的种 类 按发 生条件 ， 水锤 可分 为关 闸水锤 、 断流 水锤 和停 泵水 锤 。 1 ) 关 闸水锤 。在 压力 管道上 的 阀门突然 关 闭 的瞬 间， 紧挨 阀 门那层 的流 体被 迫 立 即停 滞 下来 ， 第一层流体停滞下来， 随后， 第二 、 第三乃至各层流 体相继停滞 ， 这种停滞将伴随各层流体压力 的提 高 ， 与之伴 生 的压 力 的 突跃 会 以一 定 的波 速 向上 游传 播 ， 这种压 力 突跃 的传 播 即形 成 了关 闸水锤 。 2 ) 断流 水锤 。在 排 水 管 道 中 ， 由于管 线 某 一 段 设计 的不合 理 ， 使 管 线标 高 高于 最低 压 力 线 标 高 ， 造成 管 内压力 在该管 段低 于大 气压 ， 在此种 情 况下 ， 当管路 中的压 力 降 到 当 时水 温 的饱 和蒸 汽 压力 以下 时 ， 水 将 发 生 汽 化 ， 破 坏 了水 流 的连 续 性 ， 出现 水柱 分离 ， 分离 的水柱 再次 弥合 时会 发生 激 烈 的撞击 ， 产生 压力很 高 的冲击 力 ， 这 种冲 击力 即形成 了断 流水锤 1 l 】 。 3 ) 停泵水 锤 。水泵正 常运 行 时是连续 均 匀排 水 的 ， 管 路 系统 中不产 生 水 锤 。 当水 泵机 组 突 然 失 电， 如 电控 系 统事 故 断 电 、 人 为误 操作 ， 使水 泵 停 止运 转 ， 管 道 中的水流 靠惯性 继续 向下 游运 动 ， 由于 管道 阻 力 的作 用 ， 速 度逐 渐 减小 ， 直至 为 零 ， 但 由于 管道 的高程 差 ， 且 水流 在重力 的作 用下 ， 向 水 泵方 向倒流 ， 流速 不断 加快 ， 在迅 速关 闭 的止 回 阀前形 成压力 陡升 ， 即产 生停泵 水锤 。 2 水锤 的计算 2 ． 1 关 闸水 锤 关 闸水锤 可根 据 温 沙 诺 公 式[ 2 ] 近 似 计 算 ， 最 大水锤 压头 ( H ) 为 0 r — H 一 — I ~ — "U 0 ， ( 1) gt 式 中： H 为 因水 锤 作 用 所增 加 的压 力 水 头 ， r n 为阀 门关 闭前 水 的流速 ， m／ s ； L 为管 道 长度 ， m； t 为关 闭阀 门所 需 时间 ， S ； g为重 力加 速度 ， m／ s 。 。 2 ． 2 断流水 锤 管 道 中断流水 锤发 生 时 的水 头 ( H) 【 l 1 计 算 收 稿 日期 ：2 o i 2 0 6 — 2 9 作者简介 ： 吴东燕( 1 9 6 4 一) ， 女 ， 辽宁沈阳人 ， 高级工程师， 主要从事铀矿 山提升、 排水 、 压气等矿山机械 的设计工作 。 第 4期 吴 东燕 ： 矿 山排 水 系统设 计 阶段 水 锤 的预 防措 施 1 7 5 公 式为 H == H 。 + F ( 一 詈 ) + 厂 ( + 三a ) ， ( 2 ) 式中： 函数 F 一 1 为由闸门向管道终端传递的 水 锤 波 总 值， 为 升 压 波 ， m ； 函 数-厂 ( + 1 为由 管 道 终端 向阀 门传 递 的水 锤 波 总值 ， 为 降 压 波 ， r n ； H。 为未发生水锤时原来的水头， m； 为水锤波传 递 的速 度 ， m／ s ； z为 阀 门至 管 道某 处 的 距 离 ， m； ￡ 为由开始关 阀算起经过的时间， S 。 2 ． 3停泵 水锤 1 ) 水锤 波 的传 递速 度 。水锤 波 的传递 速度 计 算公式为_ 3 j 6 弘 a ． ． — ， ( 3 ) — -== = = = ， L √ + 式 中 ： 1 4 3 5为声 波 在 水 中的传 播 速 度 ， m／ s ； a为 水锤 波 传 递 的 速 度 ， m／ s ； K 为 水 的 弹 性 模 数 ， 2 ． 1 1 0 。 MP a ； E 为 管道 材 料 的 弹性 模 数 ， 2 ． 1 1 0 MP a； d为管道 公 称直径 ， mm； 为管 壁厚 度 ， 现以实际设计方案计算水锤波 的传递速度。 某矿 井 井下水 泵 房 内安装 3台 D 8 5 — 4 5 7型多级 离 心水 泵 ， 其 中 1台工 作 ， 1台备用 ， 1台检修 。水 泵房 布 置 在 2 2 6 m 中段 ， 其 地 面 标 高 为 2 2 6 ． 5 0 m， 地面水池设在 5 2 5 I T I ( 池底标 高) ， 主排水 管径 为 D N1 5 0 ， 管道 壁 厚 5 mm。将 上 述 数 据 代 人 式 ( 3 ) ， 计 箅 得 出 口为 1 2 5 8 ． 5 8 m／ s 。 由此 可 以看 出， 水锤波的传递速度非常快 ， 能在瞬间传播到整 个 系统 。 2 ) 最 大 水 锤 压 头。最 大 水锤 压 头计 算 公 式嘲 为 H 一 2 一 H + 『—H o+ H ． 2a Vo『 ] ，㈤ 式 中 ： a为 水 锤 波 传 递 速 度 ， m／ s ； H。 为 静 水 头 ， m； H 为 泵入 口工作 压 力水 头 ， 1T I ( 第 一 级 泵 为 真 空 吸 引 高 度 ， 一 般 取 3 ～ 6 m) ； H 为管 道 起 点 的 止 回 阀中心 与管 末端 的水 头 高 差 ， I T I ； 。 为 水 锤发 生前 管 中水 的流 速 ， m／ s ； g为重 力加 速度 ， m／ s 。 将 a =1 2 5 8 ． 5 8 m／ s ， 。 =1 ． 1 4 8 m／ s ， ／ - ／ 一 4 ．1 1T I ， H 一 2 9 3． 24 1 T I ， H 0— 2 98 ．5 0 m ， g一 9 ．8 m／ s 代入 式 ( 4 ) ， 计算 出 H⋯ 为 4 3 5 ． 2 1 m。即水 锤发 生 时 ， 管 道 内最 大 压 力 水 头 可 达 到 4 3 5 ． 2 1 m， 为正 常排水 压 力 水 头 ( 3 1 8 m) 的 1 ． 3 6 9倍 ， 即 压力 突然 增加 近 4 O 。由此 可见 ， 在 正 常 的排 水 系统 中 ， 一 旦 有 水锤 发 生 ， 其 破坏 力 是相 当大 的 。 所以， 对水锤的研究和预防必须给予高度的重视。 3水 锤 的预 防 3 ． 1关 闸 水 锤 的 预 防 关 闸 水 锤 所 产 生 的水 锤 压 头 与 阀 门 的关 闭 ( 开启 ) 的 时间有 关 。当 阀门 的关 闭 ( 开启 ) 的时 间 ( ￡ ) 。 。 经测算 ， 当管道直径较小且管道不长时， t 为 t 的 2 ～ 1 0倍 ； 当管 道 直径 较 大 且 管 道 长 时 ， t为 t 的 1 ． 3 ～ 1 ． 5倍 ， 但 不 大 于 t 的 2倍 。t 的取 值 范 围为 3 ～1 2 0 S 。要 消 除关 闸水 锤 的 发生 ， 关 键 在 于控 制 阀 门的关 闭时 间 ， 因此 ， 在设 计说 明 中要 说 明阀 门的关 闭 ( 开启 ) 的 合理 时 间 ， 以便 现 场操 作人 员加 以控 制 。若 采用 带有 自动控 制 系统 的电 动 阀则能 较为 准确 地 控 制 关 阀 时 间 ， 智 能 化 的 控 制系统要 比人工操作更能达到预期效果 ， 有效地 预 防水 锤 的发 生 ， 且 还能 提高 自动化 程度 ， 为水 泵 房无人值班创造条件 。 3 ． 2断流 水锤 的预 防 长距离的输水管路容易发生断流水锤 。为避 免 断流水 锤 的发生 ， 在设 计排 水管路 时 ， 特别要 防 止出现高陡转点， 避免 真空现象的发生 。对于不 可避 免 的高 陡转 点 ， 应 在 该处 优 先 采 用 空气 进 排 气 阀 ， 可在 发 生水柱 分离 和负 压时及 时补 充空 气 。 选用 的空 气进 排 气 阀 不 宜 过 大 ， 选 用 D N5 0闸 阀 即可 。如 果地 质条 件允许 ， 且 经过技 术 经济 比较 ， 也可 设调 压 水 箱 _ 1 n 们。另外 ， 由于 水 的汽 化 与 压 力、 温度有关 ， 所 以对井下涌水温度较高的矿井， 设计 时 可考 虑在 井 下 采 取 降温 措 施 ， 有 效地 控 制 排水 的汽化 温度 。 3 ． 3停 泵水 锤 的预 防 事故 统计 分析 表 明 ， 引起 绝 大 部 分停 泵 水 锤 事故发生的因素有 ： 水泵总扬程大 ； 单管 向地表排 水 ， 排水 管 道 内流 速 过 大 ；在 自动 化 泵站 中 阀 门 l 7 6 铀矿 冶 第 3 l卷 ( 如 主闸 阀 、 止 回 阀等 ) 关 闭 太 快 ； 输水 管 道 过 长 ， 且地形 变化 大 。 以前设 计时 有在排 水管路 上 ( 止 回阀下游 ) 加 装水锤 消 除器和 安装安 全 阀来 预 防停泵水 锤 。水 锤消 除器结 构复 杂 ， 不 能 自动复位 ， 容易形 成二 次 水锤 ； 由于井下空 气潮 湿 ， 安 全 阀动 作机 构极 易锈 蚀 ， 在水 锤 发生 时无法 开启 ， 根本起 不到 泄压 的作 用 ： 因此 ， 建 议设计 时不 宜考 虑上述 2种方 法 。针 对停泵 水锤 事故 的发 生条 件 ， 可考 虑采 用 以下 几 项措施 预 防水锤 的发生 。 3 ． 3 ． 1 控制 水泵 总扬程 最 大水 锤压 力 与水 泵 的 静水 头 有 关 ， 静 水 头 愈大 ， 最大水 锤压 力也 愈大 。因此 ， 可 以将 一 段式 排水改为多段式 排水 ， 可根据矿井 的深度选择 合理 的排水段数 。如采取两段式排水 时 ， 在最 低 中段和 中部某 个 中段分设 水仓 及水 泵房或 直接采 用水 泵 串联方 式 ， 有效 地 减 少水 泵 的单 级扬 程 。采 取 此 种方式 ， 应该 进行 技术 经济 多方案 比较后 确定 。 3 ． 3 ． 2 选择 合理 的排水 速度 对于涌水量大 的矿井， 为 了降低 投资 ， 设 计 时 ， 通 常情 况下 总 是尽 可 能减 小 总 排水 管 路 的管 径 ， 此 时 排 水 速度 达 到 3 ～ 4 m／ s ， 若 发 生 突 然 停 泵 ， 水 锤压 力 可 高 达 1 0 MP a左 右 。如 适 当降 低 管道 排 水 速 度 ， 将 排 水 速 度 控 制 在 1 ． 8 ～ 2 ． 2 m／ s ， 虽然 一次性 投资 有所 增 加 ， 但 可有 效 地减 少 水锤 压 力 ， 减少 管 路损 失 ， 降 低 电耗 ， 起 到 一举 两 得 的效果 。 3 ． 3 ． 3 采用 不 同的 阀门配置 方式 1 ) 采 用多段 止 回阀 。此 方法是 将较 长 的排 水 管路 分为若 干段 ， 在每 段 中安装普 通止 回阀 ， 这样 水柱 被人 为地截 成 数 段 ， 从 而 减少 每 段 的作 用 水 头 ， 有效 地 防 止水 锤 升压 过 高 ， 使管 道 受 到保 护 。 但 由于增 加 了止 回阀 ， 管路 阻力 略有增 加 ， 管 理维 修量 加大 。 2 ) 取 消止 回阀 ， 改底 阀为微 阻缓 闭水 上式 底 阀。停泵 水锤 的最大 压力通 常发 生在停 泵 的最初 几 十秒 ， 然 后迅 速 衰 减 ， 针对 此 种现 象 ， 在 设计 时 可将 排水 管路 上 的止 回阀取 消 ， 在 吸水 管 上改 装 微 阻缓 闭水上 式底 阀 。当水 泵 ( 事 故 ) 停 机 后 ， 回 流水 柱到 达微 阻缓 闭水 上式 底 阀时 ， 阀板 在控 制 阀的控 制 下 ， 缓慢 关 闭 ， 部分 水 倒 流至 吸水 井 ， 水 锤压 力得 到 削减 。因改水 下底 阀为微 阻缓 闭水上 式底阀， 克服了水下检修的困难 ， 维修方便。同时 由于 取 消 止 回阀 ， 系 统 阻 力 损 失 减 小 ， 节 电 效 果 好 。采 用 此 方 式 连 接 ，经 测 算 对 于 吸 水 管 D N2 0 0 、 排水 管 DN1 5 0的管 路 ， 其 局 部 损 失 系 数 由原 来 的 l 1 ． 7减 少 到 5 _ 5 ] ， 实 际 节 电 率 可 达 1 3 ～ 1 5 。由于此 连接 方式 削弱 了管道 产生 的 水锤危害， 可使阀门使用寿命延长 2 倍 ， 维修工作 量 和维修 资金 大大减 少 。 3 ) 取 消 底 阀 、 止 回 阀 ， 采 用 多 功 能 水 泵 控 制 阀。从停 泵水锤 的形 成 过 程 中 可 以看 出 ， 止 回阀 在水 柱 回流量 增 大 时 ， 关 阀愈 快 ， 水 锤 升 压 愈高 。 若 能在水 柱 回流 量 为 零 时 能 快 速 将 止 回 阀关 闭 7 0 ， 然后 再缓 慢关 闭 3 O ， 将 使 水锤 升 压 减少 ， 使水 锤得 到有效 控制 。可 以在原 水泵 排水 口安装 止 回阀 的位置上 ， 改装 多 功能水泵 控 制 阀 ， 该 阀兼 有水 锤 消除器 、 闸 阀 、 止 回阀 的功 能 。主 阀板 的速 闭 和缓 闭阀板 的缓 闭均符合 排水 系统 的两 阶段关 闭规 律 ， 能有效 地削减 水锤 压力 峰值 。 由于采用 多功能 水泵 控制 阀 ， 取 消 了底 阀 ， 所 以设 计 时应考虑 水 泵 的引水 方 式 ， 既可 采 用 真 空 泵 引水 ， 也 可 采用 喷射 泵 引水 。真空 泵 引 水 系 统 较 喷射泵 引水 系统复 杂 ， 投 资较 大 ， 适 合于 大型矿 山。喷射 泵结构 简单 ， 没 有 运 动 部件 ， 使 用 可靠 。 初次 启泵 和在排 水 管 高 压水 流失 的情 况 下 ， 可 用 井 下生产 供水 系统 的高压 供水或 井 下压缩 空气 供 气 系统 的压缩 空气 作 为 备用 动力 源 ， 完 成 水 泵 的 注水 。设 计时 可 根据 矿 山的 动力 源 的不 同 ， 选 择 工作 介质 不 同的喷射 泵 。如果井 下压 缩空 气有 富 裕 ， 且接 管方便 ， 可选 用气 流喷射 泵 或气水 两用 喷 射泵 。 3 ． 4预 防水锤 的其 他措 施 水锤 的预 防措 施 是 多样 的 ， 如在 排 水 系 统 中 取 消止 回 阀 ， 允 许水 经水 泵倒 流 回吸水井 ， 也 能很 好 地消 除水锤 ， 但 需 要 在水 泵 机 组 上加 装 惯 性 飞 轮 ， 以减 少停泵 后水 泵机 组转速 的下 降率 ， 延缓 机 组 开始倒 转 的时 间 ， 采 取此 方 法 需 要水 泵 生 产 厂 配 合 。 另 一种预 防措施 是在 水泵 管路 上装设 金 属爆 破 片 。当管路 中水 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 的效果 ， 避免设 备 的损 坏 和人 员 的伤亡 。 4 结束语 在 排水 管路 中可采 用一 种或 同时 采用 多种水 第 4期 吴 东燕 ： 矿 山排 水 系统设 计阶段 水锤 的预 防措 施 1 7 7 锤 消除 的方 法 ， 不 同 的方法 可 以起 到互 补 的作 用 ， 特 别是 多功 能水 泵控 制 阀在水 锤 的防护 中取 得 了 不错 的效 果 。总之设 计 时应根 据各 矿 山排水 系统 的特点 ， 选择既有效又经济的预防措施。 参考 文献 ： E l i 姜乃 昌， 陈锦章． 水泵及水泵站I- M] ． 北京 ： 中国建筑 工 、 I 出 版 社 ， 1 9 8 0 ． [ 2 ] 厉无咎 ， 李正中 ， 蒋智华． 带转矩 控制 能消除水锤 的 固态软启动器[ J ] ． 变频器世界， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 6 4 — 6 6 ． [ 3 3 张 富 民 ， 潘 燮 ， 常 林 彝 ， 等 ． 采 矿 设 计 手 册 ： 矿 山 机 械 卷[ M]北京 ：中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 4 ] 金锥 ， 姜乃 昌 ， 汪兴华． 停 泵水 锤及 其 防护 [ M] ． 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 3 ： l 1 — 2 O ． E 5 3 潘金生．离心 式水泵 司机[ M] ．北京 ：煤炭 工业 出 版 社 ， 1 9 8 5： 8 O 一 8 1 ． Pr e v e nt i v e me a s u r e s o f wa t e r ha m me r i n t he d e s i g n s t a g e o f m i n e d r a i na g e s y s t e m W U Don g — ya n ( Th e F o u r t h Re s e a r c h a n d De s i g n En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n， CNNC， S h ~ i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e me c ha n i s ms a n d t yp e s o f wa t e r ha mme r a c c i de n t i n m i ne dr a i na g e s y s t e m a r e i nt r o — du c e d． Thr ou gh c a l c u l a t i n g wa t e r h a mm e r pr e s s u r e he a d o f pu m p — f a i l ur e wa t e r ha m me r ， t he e xt e nt o f t he ha r m c a us e d by wa t e r ha mme r c a n b e d i s p l a y e d vi s ua l l y， t he r e f o r e， t h e p r e v e n t i v e me a s u r e s t o be t a ke n i n t he de s i g n s t a ge a r e pu t f or wa r d i n or d e r t o r e du c e wa t e r ha mme r a c c i de nt ． Ke y wo r d s：m i ne dr a i na g e； wa t e r ha m me r ； pr e v e n t i v e m e a s u r e 8耳 每 年 ； 每 每s 年 车 包气 带土壤 中 u( Ⅵ ) 的吸 附与解 吸 聿 刁 ( ( J o u r n a l o f En v i r o n me n t a l R a d i o a c t i v i t y 》 2 O 1 3年第 1 1 5卷刊登 L i Xi a o l o n g等人的文章 ， 介绍对包 气 带 土壤 中 U( Ⅵ) 的吸 附与解 吸 的研究 结果 。 作者 采用 静态 试验 方法 ， 系 统地研 究 了包 气带 土壤 ( 中国西南 部 ) 中 U( V I ) 的吸 附与解 吸行 为 ， 其 目 的是为含铀( 超低量) 放射性废物处置的安全评价以及铀污染土壤潜在的治理方法提供有用的信息。首 先， 作者通过批量试验 ， 研究 了接触 时间、 p H、 液固比、 温度 、 胶体 、 矿物及共存离子对 U( V I ) 吸附的影 响。结果表明， 在初始 U( Ⅵ) 质量浓度为 1 0 mg ／ L的硝酸盐溶液( 含 1 0 0 mg天然土) 、 p H 约 7 ． 0 、 室温 的条 件下 ， 用 天然 土吸 附 U( V 1 ) 是 有效 的 ， 每 g天 然 土铀 吸 附量 为 1 ． 9 8 mg 。溶 液 p H、 接触 时 间 、 初始 浓度及胶体对吸附有较大的影响。在 2 4 h内， 土壤中的 U( V I ) 达到吸附平衡 ， 吸附过程可用 L a n g mu i r 吸 附方程 来描 述 。之 后 ， 作 者 在 不 同温 度 、 浓 度 和 液 固 比 的条 件 下 ， 研 究 了 E D TA、 柠 檬 酸 和硝 酸对 u( V 1 ) 的解 吸 。结 果显 示 ， 用这 3种 试剂 可 以很容 易地 将天 然土 上吸 附的 U( V 1 ) 解 吸 下来 ， 尤 其是 硝 酸 的效果更好。这表明铀污染土壤可利用这些试剂加以修复。 ( 陈 隆 玉供 稿 )