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  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。 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永久变形,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。 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 —水的饱和蒸汽压力(绝对压力),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: (m/s) 式中: ——声音在水中的传播速度α ,,一般取 1435m/s; ——水的弹性系数,取 2.1×108Kg/m2; ρ ——水的密度,取 102Kg·s2/m4; E——管壁材料的弹性系数; δ ——管壁厚度(m); D——管道内径(m); C1——不同壁厚,不同支承方式的系数。 (m/s) (1-4) (1)薄壁管道 >25: ①管道只在上游端固定时, =1(1-5) 式中:μ ——管壁材料的泊松比,对于钢取 0.3;对于混凝土取 0.15。 ② 全管道固定并没有轴向运动(如地下埋设管道) (1-6) ③管道采用膨胀接头连接时, (1-7) (2)厚壁弹性管( ≤25) ①只在上游端固定时, = (1-8) ②全管道固定,并没有轴向运动时, = (1-9) ③管道采用膨胀接头连接时, = (1-10) 对于钢筋混凝土管: (m/s) (1-11) 1.4.2 水锤相 Tγ Tγ 按下式计算: (s) (1-12) 式中:L——管道长度(M); α ——水锤波速(M/S)。 1.4.3 管道惯性时间常数 Tω Tω (其意义为管道不计水头损失时流速从υ 0 加速到零的时间)按下式计 算: = (1-13) 当管道面积及材料性质沿 = (1-14) 式中: = (S) 不变时, (S) ——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 (又称机组加速时间)按下式计算: (S) (1-16) 式中: ——水泵机组的飞轮惯量 (kg· 2) 一般可以取电动机的 m , 1.2 倍,电动机 可由样本上查得或由电动厂提供; 的 1.1~ ——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)提供最大水锤压力上升值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、管道隆起点的最大降压值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最高反转速时间(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,可能出现的最大 倒流量 ,最大反转速 ,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: (2-1) 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 ② 速)(m/s)。 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: 失(M)。 ③ ——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 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,ManbetXAPP提出如下数值作为设计参数。 (1)最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); ——最大水锤压力增值(M); (M),其中 ——最大水锤压力(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 水泵或压力管道的水头(M) 值 的允许值 H40 100≥H≥40 400≥H≥100 H400 当设置防护装置时 0.5~0.7 0.3~0.5 0.15~0.3 0.15 ≯0.25 (2)因水锤压力下降,管道出现最低压力 水体水温所对应的饱和水蒸气压力( 的允许值,建议应大于所输 /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)允许最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: ——水泵最大反转速 (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 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。 危害 在压力管道中,ManbetXAPP由于某种外界原因(如阀门突然关闭或开启,水泵机组突然停车 等),使得水的流速突然变化,从而引起压强急剧升高和降低的交替变化,这种 水力现象称为水锤,也称水击。 一、水锤的危害 水锤引起的压强升高,可达管道正常工作压强的几倍,甚至几十倍。这种大 幅度的压强波动,造成的危害有: 1、引起管道强烈振动,管道接头断开,破坏阀门,严重的造成管道爆管,沿 途房屋渍水,供水管网压力降低。 2、引起水泵反转,破坏泵房内设备或管道,严重的造成泵房淹没。 3、造成人身伤亡等重大事故,影响生产和生活。 二、水锤产生的条件 1、阀门突然开启或关闭。 2、水泵机组突然停车或开启。 3、单管向高处输水(供水地形高差超过 20 米); 4、水泵总扬程(或工作压力)大; 5、输水管道中水流速度过大; 6、输水管道过长,且地形变化大。 三、水锤的预防措施 ㈠开(关)阀水锤 1、开关水锤有直接水锤和间接水锤,延长开阀和关阀的时间,可避免产生直 接水锤。 2、离心泵、混流泵应在阀门关至 15%—30%时而不是全关时停泵,这样可以 降低水泵出口压力, 防止水泵振动及延长阀门使用寿命。对于轴流泵在泵出口一 般不应设阀门。 ㈡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。 ⑴先将水泵出口阀门打开 15%—30%(蝶阀可先开 150—300),管道上其余阀 门全部开启。 ⑵然后启动水泵。 ⑶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。 3、设有止回阀的水泵 ⑴在止回阀前设自动排气阀。 ⑵在止回处设旁通阀。 ⑶事故停泵后,应待止回阀后管道充满水再启动水泵。 ⑷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。 ㈢停泵水锤 给水管中的水在断电后的最初瞬间,主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续向水 池方向流动,然后流速降到零。管道中的水在重力水头作用下,又开始向水泵倒 流,速度由零逐渐增大。由于管道中水的流速变化,从而引起水锤现象的发生。 1、降低输水管道的流速,增加管道直径、壁厚,可在一定程度上降低水锤压 力。 2、 选用转动惯量 GD2 较大的电动机或加装有足够惯性的飞轮,可在一定程度 上降低水锤值。 3、输水管线布置时,减少管路布置的陡峭度,尽量布置平缓管路,应考虑尽 量避免出现峰点或坡度剧变, 在管路中各峰点安装可靠的排气阀,避免产生弥合 水锤。 4、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。 5、 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。 6、停泵水锤主要因为出水管道止回阀关闭过快引起,因此,取消止回阀可以 消除停泵的危害,并且可以减少水头损失,节约能耗;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泵水 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。 7、在大口径的水泵出水管上安装缓闭止回阀、微闭蝶阀,可有效的消除停泵 水锤,但因阀门动作时有一定的水量倒流,吸水井须有溢流管。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。需要注意的是,当管路中存在峰点而发生弥合水锤时,缓闭止回阀的作用就 十分有限。 8、 紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器,管道中的水锤压力通过开启的水 锤消除器泄掉, 即利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作,即当管道中 的压力低于设定保护值时, 排水口会自动打开放水泄压, 以平衡局部管道的压力, 防止水锤对设备和管道的冲击, 通常用的水锤消除器有下开式停泵直接水锤消除 器、自动复位水锤消除器、自动复位的下开式水锤消除器、气囊式水锤消除器四 种。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。 9、采用水力控制阀,一种采用液压装置控制开关的阀门,一般安装于水泵出 口, 该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭,阀门上一般装有活塞缸或 膜片室控制阀板启闭速度,通过缓闭来减小停泵水锤冲击,从而有效消除水锤。 10、设置双向调压塔,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,ManbetXAPP 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。 11、单向调压塔: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。 12、安装气压罐,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。 ㈣其它 、1.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。 2、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。

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