停泵水锤的计算方法.doc

停泵水锤计算及其防护措施　 停泵水锤是水锤现象中的一种,是指水泵机组因忽然断电或其她因素而导致的开阀状态下忽然停车时,在水泵及管路系统中,因流速忽然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象一般状况下停泵水锤最为严重,其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房沉没或管路破裂的重大事故ﻫ 　停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体状况有关在泵房和输水管路设计时应考虑也许发生的水锤状况,并采用相应的防备措施避免水锤的发生,或将水锤的影响控制在容许范畴内我院在综合国内外有关水锤的最新科研成果并结合近年工程实践的经验，以特性线法为基本开发了水锤计算程序这一程序可较好地模拟多种工况条件下水泵及输水管路系统的水锤状况，为高扬程长距离输水工程提供设计根据1　停泵水锤的计算原理 停泵水锤的计算有多种措施:图解法、数解法和电算法其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和持续方程,这两个方程是双曲线族偏微分方程ﻫ 运动方程式为: 　　　持续方程式为： 式中　Ｈ ——管中某点的水头ﻫ 　V——管内流速ﻫ 　 ａ——水锤波传播速度ﻫ　 　 ｘ——管路中某点坐标 　 　g——重力加速度ﻫ 　 t——时间 f——管路摩阻系数ﻫ　　 Ｄ——管径ﻫ　 通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基本方程:　　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ﻫ 　在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴（H,Ｖ)中的体现形式为射线，即特性线。

它表达管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的互相关系为了以便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速变化方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式: 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(实际转速／额定转速)ﻫ　 v——Q/Ｑn(实际流量/额定流量)ﻫ　　通过上述两式的联立,采用牛顿—莱福生迭代公式,可以解出ｖ和β的近似数值ﻫ　　将水泵的全面性能曲线改造为仅与转速和流速有关的全面性能曲线,以便计算机在解方程时取值,即: 　ＷH(x)=ｈ/(β２+v2) 　 　（７)　 WM（x）=ｍ/（β2+v2） 　(８) 式中 h——H／Hｎ（实际扬程／额定扬程)ﻫ ｍ——M/Mn(实际转矩/额定转矩）ﻫ 　现行的水锤计算措施就是基于上述原理2 几种边界条件下水锤工况的模拟成果 根据国内南方某都市取水泵房的水泵及输水管线的实际状况，采用计算机程序模拟水锤状况如下（均按最低枯水位计算):ﻫ 基本状况:ﻫ 　水泵机组:Qｎ＝５ 000　ｍ3/h，Hn=55 m,Nn=74１ ｒ/mｉn，Ns=1３２.4,GＤ2=874.７ kg．m2，Mｎ＝932．7２ kg.m，近期单台运营,远期两台运营。

ﻫ 　输水管线:DN=1 40０　mm,L＝5 ７５0　m,几何扬程:３5 m(近期),45 m(远期)ﻫ 泵房和输水管线如图１所示: 2．1 假设为有阀管路停泵水锤ﻫ ①　一般止回阀 一般止回阀管路停泵水锤计算成果如表１所示 　表１ 一般止回阀管路停泵水锤计算成果 运营ﻫ条件泵出口处最大ﻫ压力值(kPa)当加大水泵机组转动惯量合适的ﻫ倍数时,泵出口处最大压力值（ｋPa)两台水泵ﻫ并联运营１　53６ﻫ(156．７ ｍ)830(8４.68 ｍ）一台水ﻫ泵运营８92ﻫ(９1.０5　m)61７(６３.０ m) 　表１中所列数据为假设水泵出口处的流速为零时阀门即刻关闭所产生的水锤压力值实际工况中,阀门关闭总要一段时间,因此实际水锤值将与表中所列数据有出入根据计算机模拟成果,如果在此条件下合适增长水泵机组的转动惯量可以将水锤压力值明显减少 　② 缓闭止回阀ﻫ 缓闭止回阀管路停泵水锤计算成果如表２所示　  表2 缓闭止回阀管路停泵水锤计算成果运营ﻫ条件最佳阀门关ﻫ闭条件下泵ﻫ出口处最大ﻫ压力值(ｋPa)水泵最大倒ﻫ转速度比(β／βn)水泵最大ﻫ倒流量比ﻫ（Ｑ/Qn)最佳阀门关ﻫ闭组合条件ﻫ（关阀时间和ﻫ阀门关闭限度）两台水泵ﻫ并联运营８６7ﻫ(８8.5 m)0.0６-0.２3快关：３ s,80%ﻫ慢关:24　ｓ,2０％一台水ﻫ泵运营65５ﻫ(66.8　m)0.03-0.15快关:３ s,80%ﻫ慢关:2１ s,20% 　通过计算机模拟,当关阀时间和快慢组合与最佳模拟条件不同步,泵前最大压力值都将有所增长。

因此一种装有两阶段关闭阀门的输水系统,其阀门的操作过程应通过计算拟定,并应在试运营中调节此种设备定货时应向制造厂提出具体的技术规定(快、慢关闭时间及可调性)ﻫ　 ③ 管路发生断流停泵水锤(即弥合水锤)ﻫ 　此泵房出水管在穿越大堤处(距泵出口40 ｍ)形成了驼峰，经计算，此处将发生弥合水锤实际观测与计算机模拟的成果相近，计算机模拟成果如表3所示   表3 一般止回阀管路发生弥合水锤计算成果运营ﻫ条件枯水位时泵ﻫ出口处最大压力值（kPa)洪水位时泵ﻫ出口处最大ﻫ压力值（kPａ）枯水位驼峰ﻫ处水锤压力ﻫ值(ｋＰa)洪水位驼峰处水锤压力值(ｋPa)两台水泵ﻫ并联运营1 705ﻫ（173.95 m)1 ３12ﻫ(1３3.８５　ｍ）１　695(17２.97　m）1 302ﻫ(１32.８5 ｍ)一台水ﻫ泵运营1 １7１ﻫ(１19.5 ｍ)64４ﻫ（65.7　m）1　0６8ﻫ(１１０.93 m）605(６1.７ m) 　从表３得知,当管路中发生断流的停泵水锤（即弥合水锤)时,水锤值很大，达到几何扬程的4倍以上,必须引起高度注重2.２　结论性意见ﻫ 　停泵水锤的大小重要与泵房的几何扬程有关, 当几何扬程≥30　ｍ,其多种工况下的最大水锤压力值（Hmax）与几何扬程(Ho)的比值,水泵最大逆转转速βmaｘ与额定转速βｎ的比值分别列入表４。

  表4　几种管路条件下停泵水锤计算成果比较表水锤边界ﻫ条件无逆止阀ﻫ管路一般逆ﻫ止阀缓闭逆ﻫ止阀一般逆止阀管路中ﻫ有弥合水锤发生Hmax/Hｏ０．9~1.4４1.９1．２53．0～5．０βｍａｘ/βn－1.２５ -0.2 为了避免停泵水锤的危害,可在如下方面采用措施:ﻫ　　①　对于无逆止阀的管路系统ﻫ 这种停泵水锤的状况并不严重，最大的水锤值为几何扬程的1.４０倍左右,须注意的是水泵机组倒转和水大量倒流导致的损失和危害一般状况下,无逆止阀管路重要应避免水泵机组的长时间过度倒转,以防水泵轴套松脱和机组共振通过计算程序模拟有如下规律：输水距离在1.2～5.0　km范畴，管线愈长，停泵水锤值愈大,水泵机组倒转愈严重管线长度超过5．0 km,长度继续增长对水锤值影响较小几何扬程增高，最大水锤值和水泵机组倒转值均有增长，当几何扬程＞50 m时，水泵机组倒转值将持续超过额定正转速(βｍａx/βn≤-1.０),超过规范的容许范畴在这种状况下应与水泵制造厂联系采用相应的技术措施以保证水泵在倒转运营工况下安全对于无逆止阀管路选用转矩（Mｎ)较小、转动惯量(GＤ２)较大的水泵机组将有助于改善停泵水锤发生时的水泵和管路工况,推迟水泵的倒转,减少倒转值。

ﻫ　　② 对于装有一般止回阀的管路系统 这种停泵水锤的状况较为严重,最大的水锤值为几何扬程的1.90倍左右输水距离在1．2~５.0 km范畴时,管线愈长,　停泵水锤值愈大管线长度超过5.0 kｍ,长度继续增长对上述参数影响较小几何扬程增高，停泵水锤值也愈大对于取水泵房,若条件许可（输水管路较短,水泵容许短时间倒转）,可取消一般逆止阀如果采用了一般逆止阀，则水泵机组、管路配件和管路系统的耐压级别和稳定性均应考虑最大水锤压力值ﻫ　　③　对于装有缓闭逆止阀的管路系统ﻫ 　缓闭逆止阀对于减少停泵水锤有明显效果缓闭逆止阀的使用应结合具体状况，快慢两个阶段的关阀历时应根据泵房水泵性能和输水管路的边界条件进行计算机模拟,得出最佳的理论时间组合，并在实验运营中调节，以期获得最佳关阀历时和快慢两个阶段的关阀历时的分派如果关阀时间长于或短于最佳关阀历时或快慢两个阶段的关阀历时采用不当,均会导致产生很大的水锤压力值计算机模拟成果表白：调节抱负的缓闭逆止阀管路的停泵水锤值可控制为几何扬程的１.４５倍左右,而非抱负状况下的缓闭逆止阀管路的最大停泵水锤值可达几何扬程的2．5~2．8倍此外，快慢两个阶段的关阀历时的选用也是很有讲究的，一般规定停泵后５　ｓ内应关闭阀门的80%以上。

若整个关阀历程是匀速的也会导致产生较大的水锤压力，模拟成果如表５　  表５ 缓闭逆止阀模拟成果关阀历时ﻫ及快慢时ﻫ间分派模拟最佳关阀历时及快慢时ﻫ间分派其她关阀历时及快慢时间分派状况１２3４关阀历时（ｓ)1８182491８快关时间ﻫ(关闭８0%,s)３均匀关闭336慢关时间ﻫ（关闭剩余的2０％,s)15２1６１2最大停泵水ﻫ锤值(ｋＰa)９０0ﻫ(91.8 m）１ ３１５ﻫ（13４．2　m)1　726ﻫ(1７6.1 m）1 3２4ﻫ(１35．1　m)1 063（１08．5 ｍ)基本参数:几何扬程62 ｍ,三台水泵并联工作,输水管路１.3 km，管径１．0 m ④ 一般逆止阀管路中有弥合水锤发生ﻫ　　在输水管路布线时应尽量避免纵坡的忽然变化,特别要避免浮现“驼峰或膝部”,否则也许导致发生弥合水锤，而弥合水锤的最大压力值为几何扬程的３~５ 倍,其对泵房和输水管路系统将产生极大的危害一般状况下,驼峰浮现处的高程为几何扬程的3０%~８0％时最为不利(水锤值最大）根据模拟运算,当几何扬程在２５ m以上且管路中一定的高程位置存在“驼峰或膝部”，其最大弥合水锤值将超过98０ ｋPa(１00 ｍ水柱）。

对于弥合水锤不可避免的状况(已经建成的输水系统中存在驼峰）,则应采用工程技术措施进行水锤防护 ３ 停泵水锤防护措施　　由于停泵水锤也许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沉没,输水管破裂导致沿途房屋渍水）,因此有必要根据具体状况采用相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力ﻫ　　① 减少输水管线的流速,可在一定限度上减少水锤压力,但会增大输水管管径,增长工程投资 ②　输水管线布置时应考虑尽量避免浮现驼峰或坡度剧变 　③ 通过模拟计算，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,可在一定限度上减少水锤值ﻫ　　④ 设立水锤消除装置 ａ. 双向调压塔：在泵站附近或管道的合适位置修建,双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接受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，从而有效地避免或减少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　　b.　单向调压塔:在泵站附近或管道的合适位置修建,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，避免水柱拉断，避免弥合水锤。

但其对停泵水锤以外的水。