噴泉離心泵水錘技術(shù)風(fēng)險與控制

田春梅天津大德環(huán)境工程有限公司

噴泉離心泵水錘技術(shù)風(fēng)險與控制

田春梅
天津大德環(huán)境工程有限公司

摘要：本文主要對噴泉離心泵水錘現(xiàn)象進(jìn)行理論上的簡析,從不同角度對水錘進(jìn)行分類,論述水錘發(fā)生原理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際案例更加直觀的展示了水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及發(fā)生過程，并通過一些實例分析提出風(fēng)險應(yīng)對策略，從而盡量減少水錘現(xiàn)象發(fā)生并降低危害性。

關(guān)鍵詞：水錘現(xiàn)象；風(fēng)險；應(yīng)對策略

有壓管道非恒定流問題，也就是水擊問題，而壓力管道系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象就是這種典型現(xiàn)象。水擊現(xiàn)象中交替升降的壓強升高，可以達(dá)到管道恒定流的壓強的幾十倍甚至是數(shù)百倍。水擊的危害非常大，還有可能導(dǎo)致管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，使其劇烈振動，引起強大噪音，使閥門遭到破壞，管件的接口處破裂，從而使管壁爆裂或者產(chǎn)生嚴(yán)重變形的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。

一、水錘原理簡析

所謂水錘即水擊現(xiàn)象，就是水或者是其他液體在壓力管道輸送過程中，由于一些突發(fā)的意外事件引起管道內(nèi)水體流速發(fā)生改變，從而引起動量交換，致使水體的動量發(fā)生急劇變化，急劇沖擊管壁、水泵以及閥門等附件，在水體慣性和可壓縮性、管壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，管道內(nèi)水的壓力和密度不斷交替變化，直至穩(wěn)定的這一過渡過程的狀態(tài)。

1.水錘現(xiàn)象

在泵系統(tǒng)中，由于輸送距離較長、揚程高、閘閥的開啟及關(guān)閉、泵的啟動及停機等原因，使管道中的水流流速突然發(fā)生變化，導(dǎo)致壓力急劇升高或降低，并以波的形式沿著管道不停地來回傳播和反射，這個水力過程又稱為過渡過程，這一狀態(tài)就是水錘現(xiàn)象。因為水流突然發(fā)生急劇變化，所以對泵的部件和管壁產(chǎn)生很大的沖擊力，必然會損壞附件，使管道發(fā)生破裂，以致引起事故的發(fā)生，從而導(dǎo)致泵站不能繼續(xù)安全的運行。

在水錘現(xiàn)象發(fā)生時交替升降的壓強的作用下，我們要考慮到液體的壓縮性以及管壁的彈性。其物理原因主要是液體本身所具備的兩種屬性，即慣性和壓縮性。液體的慣性就是液體本身有著自身的運動速度，保持著穩(wěn)定的運動狀態(tài)，而流動速度一旦驟變，就會使液體受到壓縮或發(fā)生膨脹現(xiàn)象，從而導(dǎo)致壓強也發(fā)生巨大變化；同理，如果液體的兩側(cè)突然受到外力的影響而發(fā)生巨變，那么液體流動的速度也會隨之發(fā)生急劇變化。就一般情況來看，輸水管道系統(tǒng)中過渡過程發(fā)生意外變化的原因有以下幾種：泵的啟動與停止、機組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或運行的不穩(wěn)定、動力方面發(fā)生問題；泵或管道系統(tǒng)中有空氣進(jìn)入，泵內(nèi)發(fā)生回流，液壓伺服閥的開啟與關(guān)閉、線路的分流和集流等等。而由動力故障所引起的水錘現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

2.水錘的種類

根據(jù)不同的劃分角度，水錘可以分為不同的種類：

（1）從關(guān)閥歷時和水錘相位的關(guān)系來看，可以分為直接水錘和間接水錘。水泵站中所發(fā)生的水錘現(xiàn)象通常屬于間接水錘，其過程相對而言比較繁瑣。

（2）按照水錘特性來分，分為剛性水錘理論和彈性水錘理論。剛性水錘理論計算比較容易，計算結(jié)果偏大；而彈性水錘理論計算雖然繁瑣但是結(jié)果更貼近實際情況。

為了減少意外事件的發(fā)生，相關(guān)研究專家要能夠牢固的掌握泵站水錘水力學(xué)機理及其技術(shù)，在此基礎(chǔ)上認(rèn)真鉆研泵站水錘的計算方法并學(xué)以致用，及時有效地將研究成果應(yīng)用于實際工程中。

3.水錘現(xiàn)象發(fā)生的原理

壓力管道中水錘現(xiàn)象形成原理可以描述如下：受某些外因的影響，管道內(nèi)的液體的流量或者流速突然發(fā)生變化，因為液體本身流動有一定的慣性，所以管道內(nèi)壓強會發(fā)生急劇上升或下降，液體的壓縮性和管壁的彈性又使波動在管道中急劇往返波動。水錘現(xiàn)象在管道內(nèi)發(fā)生時，壓力會升高，水錘以波的形式在管道內(nèi)迅速傳遞，使管道發(fā)生強烈振動并形成噪音。

三、設(shè)計實例分析

1.案例背景

2007年Kangwonland大型噴泉工程，應(yīng)用大功率離心泵集中供水方式的結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)多種水形不同開啟狀態(tài)組合，Kang?wonland大型噴泉工程，應(yīng)客戶要求根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)貒覙?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在距噴泉30m湖岸處設(shè)置離心泵房，共使用5臺大功率離心泵（75KW以上）控制40余種水形，每臺離心泵供水管系中，配置不同規(guī)格型號液壓伺服閥以控制多種水形組合造型表演。就目前國內(nèi)噴泉行業(yè)大型工程項目中，使用離心泵控制多種水形表演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很少;在該項目中的水形調(diào)試過程中，要求平均每臺離心泵通過20-30個不同規(guī)格液壓伺服閥的控制，實現(xiàn)7-8種水形不同組合變化。發(fā)現(xiàn)某些供水系統(tǒng)的管路存在有嚴(yán)重的“水錘”現(xiàn)象。與預(yù)埋主管路連接的泵房墻體出現(xiàn)晃動，情況危急，后果不堪設(shè)想。這個問題引起我公司高度重視，并組織有關(guān)人員立即著手研究、解決這個問題。公司啟動應(yīng)對風(fēng)險措施體系。由技術(shù)總工及項目運營總監(jiān)組成技術(shù)風(fēng)險應(yīng)對小組，經(jīng)施工現(xiàn)場人員配合試驗，提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)，晝夜奮戰(zhàn)，剖析原因，找出癥結(jié)，解決問題，指導(dǎo)現(xiàn)場施工項目經(jīng)理為首的技術(shù)團(tuán)隊，在保證工期情況下，最終解決了大功率離心泵控制多種不同規(guī)格液壓伺服閥引起的水錘現(xiàn)象，其噴泉效果受到當(dāng)?shù)孛癖姷暮迷u。

2.理論計算

一般簡單管路中由于閥門關(guān)閉所引起的水壓壓強計算舉例如下：設(shè)管路如下圖所示

當(dāng)閥門逐漸關(guān)閉時間接水壓強度最大值計算---公式說明

式中：式中△H：直接水壓壓強增高值。

V：關(guān)閥后發(fā)生水壓時管中流速。

v0：關(guān)閥前管內(nèi)流速。

C：水壓波速。

E：液體的彈性模量。

E0：管壁的彈性模量。假如液體為水，管子為一般鋼管E/E0≈0.01

D：管子內(nèi)徑。

C0：液體中聲波的傳遞速度C0=1435m/s(100C,1～25大氣壓)

δ：管子壁厚

②當(dāng)閥門逐漸關(guān)閉時間接水壓強度最大值計算：

水壓波傳播周期：Tw=2L/c

閥門逐漸關(guān)閉時的間接水壓壓強計算，即關(guān)閥時間Ts＞Tw=2L/c時的間接水壓壓強計算,用以延長關(guān)閉時間，若能使關(guān)閉閥門的時間Ts＞Tw=0.98s

如設(shè)閥門關(guān)閉時間Ts=3s＞Tw=0.98s

當(dāng)閥門逐漸關(guān)閉時間接水壓強度最大值計算---公式說明

式中：△H：間接水壓壓強增高值。

L：管路長度。

g：重力加速度，g=9.81m/s2

Ts：閥門關(guān)閉的時間。

Tw：水壓波傳播周期。

③閥門突然全部關(guān)閉時直接水壓壓強最大值與閥門逐漸關(guān)閉時間接水壓強度最大值計算——對比

閥門突然全部關(guān)閉時直接水壓壓強最大值：△H=19.7kgf/cm2；閥門逐漸關(guān)閉時間接水壓強度最大值計算：如設(shè)閥門關(guān)閉時間Ts=3s＞Tw=0.98s情況下

△H=0.64kgf/cm2

一般說來，可以從延長關(guān)閉閥門的時間，可以避免直接水擊的發(fā)生。

3.應(yīng)對策略

Kangwonland噴泉中由于諸多液壓伺服閥同時快速關(guān)閉在管路中引起巨大水壓現(xiàn)象消除方法：

該噴泉管路為復(fù)雜管路系統(tǒng)（同一管路系統(tǒng)中存在不同管徑管子的串聯(lián)、并聯(lián)、匯流、分叉等）在管路中存在多路水壓壓力波疊加的問題，閥門不是一個而是一組數(shù)量巨大的并以某種形式分布的液壓伺服閥，液壓伺服閥關(guān)閉的程序復(fù)雜多變，所以極難準(zhǔn)確的計算出管路中一個確定的水壓壓強值。此外，泵的特性、管路的固定方式、管系的激振頻率、管路的高低變化等因素都會影響管中水壓強度的數(shù)值，大大增加了計算的復(fù)雜性。但不管怎樣上述第一部分所闡述的簡單管路中閥門關(guān)閉情況對水壓強度影響的比較仍可從理性上起到根本性的指導(dǎo)作用。

首選方式為在不影響噴泉表演視覺效果前提下進(jìn)行合理的編程，使液壓伺服閥實現(xiàn)優(yōu)化的關(guān)閉程序，延長各噴泉系統(tǒng)中液壓伺服閥組的全程關(guān)閉時間使管系中水壓陡增（水錘）現(xiàn)象盡量減少。其次在管路的適當(dāng)位置配置調(diào)壓裝置，設(shè)置儀表等監(jiān)控措施。使水壓陡增（水錘）現(xiàn)象進(jìn)一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行試驗調(diào)定。在管路的適當(dāng)位置配置調(diào)壓裝置，設(shè)置儀表等監(jiān)控措施。使水壓陡增（水錘）現(xiàn)象進(jìn)一步減緩，水壓裝置中的充氣壓力根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行試驗調(diào)定。

四、結(jié)論

壓力管道系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象是難以避免的，水錘的危害性很大，為此在設(shè)計上考慮水錘作用的影響是很有必要的。另外，很多事故是由于現(xiàn)場水泵或閥門操作不當(dāng)造成的，因此管理、操作人員要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，力求將水錘發(fā)生的頻率和水錘所造成的損失降至最低。

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