高揚程水錘泵及其相關專利技術在農村提水實踐中的推廣應用研究

肖 曉

(湖南省張家界市慈利縣新城區水利管理站，湖南 慈利 427000)

1 水錘泵的工作原理

水錘泵是通過機械的作用效果，用低水頭水能將部分低處水強壓到高處的提水裝置。其主要構造為進水蓄水池、耐壓進水管、專用泵體、泵體低處活動泄水閥、泵體高處氣室壓力閥、高壓壓力罐、出水管七大部分。可以將動能轉換為壓力能的一種簡單機械。

1.1 工作原理

水錘泵工作原理是根據流動中的水在運動時一旦被突然中斷動作，就會產生相應的能量，利用這股能量，可升高一部分的水壓至一定高度，從原理上來看也就是泵的作用，如圖1所示。水流順著管道在重力作用下往低處流，到了單向閥A處附近的時候，由于水流產生的沖力作用，迫使原本開啟的閥門因力的作用而關閉，只要水往下流時積累足夠的速度，速度越大，沖力越大，就會產生關閉效果，因此這個單向閥A也就是泵體低處活動泄水閥。因為水流突然停止，相當于緊急制動，水流所具有的動能在瞬間變成了壓力能，這股能量使得泵體結構高處的閥門B被沖開，水流順著出口閥門B進入管道中，也就是高壓壓力罐中，并在壓力的作用下上升到一定高度。緊接著，因為水流進入高壓壓力罐中，使得進水管的壓力得到釋放，所以閥門A就會迅速回落，為了閥門A回落的速度更快，在設計結構時不僅利用了閥門A本身的重力作用，還設置了專門的輔助彈簧，讓閥門A對力更敏感，當閥門A落實之后就回到了初始狀態，同一時間，壓力閥B也因為水流進入壓力罐壓縮了空氣使得壓力增大而被關閉，也回到最初的狀態，整個過程就是如此循環往復，周而復始。根據實驗數據證明，水錘泵的作用效果大概為總體水量的15%，水的落差高度為5倍的樣子。經過實驗數據和理論探索，得出了水錘泵的效率公式：

η=ε·嗞

式中：η表示水錘泵的效率；ε表示部分水流在壓力作用下升高的高度再加上在出水管里面沿程損失的水頭與工作水落差的比值；嗞代表在壓力作用下升高的水流量大小與往下流動的工作水流量的比值。

圖1 水錘泵示意圖

根據實際經驗總結，效果比較好的水錘泵η在85%以上。在安裝做功部分的進水管時，需要控制安裝的平衡傾斜度，一般要保證在1∶4的水平之上(即落差1 m，管長不少于4 m)，這樣的水流會有最好的制動效果，發揮更大的作用。水錘泵的優點非常明顯，首先工作中運動的元件簡單易得，且不易損壞，從整體結構來說，構造不復雜，在整個過程中都不需要人為看守自動進行，還不用借助其他動力來源。不過在進行泵的設計時還是需要考慮到組成部分的堅硬程度和強度，因為水錘作用還是有一定的沖擊性，要保證構件不會因為沖擊太大而被損壞。

1.2 工作效率

水錘泵的提水量的決定因素有很多，除了常見的揚程之外，還會受到進水管鎮墩以及進出水管的直徑影響，水錘泵的效率有兩種，一種是本身效率，另一種是裝置效率，后者指的是在管道沿程阻力和局部阻力的雙重作用下，還保持的工作 效率。

裝置效率p計算公式：

式中：q為水錘泵提水量，L/min；Q為進入水錘泵進水管的水流量，L/min；H為水落差，m；h為揚程，m；h1為出水管沿程阻力損失，m；h2為出水管局部阻力損失，m。

一般在計算實際提水量時可采用下式：

水的利用率:

1.3 水錘泵的優缺點

動力來源不需要借助其他外部能量來源，整個過程沒有消耗電能等，只需要水流本身提供能量來源；能量的利用率相對較高，據數據顯示，效率最大達到了85%以上，要知道目前制作的小型電動水力機組都比不上它的效率，僅在50%左右;可靠性高，如果按汽車發動機的標準制造，使用的時間非常久，可以維持200多年不被損壞，在工作時不需要專門的人員看管，整個架構不需要修建泵房，節約了大量的經濟投入，比常規的電泵站在初期投入的資金要少得多，同時后期運行維修費用也低很多。

不過傳統的水錘泵還存在一定的問題:最主要的問題就是工作產生的水錘噪聲達到了嚴重噪音污染的水平，通常有90～130分貝，人們一旦接近，會嚴重損害聽力，產生耳內刺痛的感覺，為了盡可能地避免這個問題，國際上選擇將水錘泵應用于偏遠、人口稀少的農村，不會在人口非常集中的地區使用該裝置，國內同樣如此。除此之外還存在的問題就是其功率較小，目前最大的水錘泵的進口直徑已經達到了2.5 m，但是仍然不能跟上大規模開發低水頭能源的發展要求。

1.4 安裝環境、條件及選址原則

水錘泵對安裝的選址有一定的要求，直接決定了其工作效率，是它正常穩定工作的決定性因素，所以在選址時要注意：

(1)保證水頭的水資源豐富，如果一年四季都能保證水流的存在是最佳的，同時在水量上也要符合要求；

(2)落差在一定范圍內(0.3～100 m均可)，選擇的對象往往是溪流或者水庫大壩的外側，引渠人造落差也可以；

(3)另外需要考慮山洪的影響，遠離山洪威脅地帶，從而避免山洪沖擊造成的泵站設施損壞。

2 專利技術介紹

變調靜態長芯軸趕式脈沖感應泵(專利號ZL200620052411-6)工作應用領域為大小提水調水工程，另外對自來水加壓和渠上自流灌溉的適應性良好，在工作時可以自動把低處的流水提到高處。整體構造為：泵腔體和導管以及泵芯座，圈體閥座和自控菇形泵芯閥，空氣室以及進出水口、自控進氣孔。其關鍵技術及其特征如下。

(1)進水口及出水口的布局相似，都是呈高低布局模式，通常兩個或以上做成一組；豎立管道設立在自控泵芯閥的正下方，該管的功能是儲水；在豎立管道的中下部有一個感應倉，該感應倉的內直徑一般比豎立管要大，并且組成部分為上下對稱的兩個部分，一般在感應倉的中部會安裝柔性的感應膜。

(2)不耗電不用油,可將低處流水自行提向高處，無轉動,無擺動；部件損耗小,使用壽命長,可在近于住戶的場所安裝使用,本結構設計適用于高揚程提水的高壓力作業。可幾十年不間斷連續作業運行。

(3)流量不限，可大可小，以用戶夠用為準，揚程不限，流量、揚程與造價、投資成正比。

(4)技術成熟，在多地實施，受到普遍贊譽。節能減排，一次性投入，長期使用受益。

(5)為降低噪音可采用泄水閥水流降噪技術。

這種泵能夠被應用于更廣泛的領域，如果低處流動的凈水流量不足，能夠很好的利用污水的動能，同時能夠實現兩者之間完全的動態隔離。

3 專利技術的推廣應用

結合該專利技術要點，計劃在慈利縣新城區桑木溪村開展應用試點。該村是由原來栗山村和桑木溪村2個自然村合并而成，桑木溪村有6個組屬于水源性缺水，600多人一直被飲水問題困擾。

通過實地考察，引進此專利技術進行改水試驗。具體測得建設數據：可利用水源落差約43 m，干旱時最低日流量800 m3，據此進行設計制作水錘泵。經計算，在高程208 m選擇安裝進水管道，在高程165 m處安裝水錘泵，將水提到高程400 m處(居民用水保障高程)；設計日最低流量100 m3。

3.1 基本參數

連接水錘泵的進出水管道所需材料：

(1)進水管采用無縫鋼管200 m，尺寸為內徑100 mm×6 mm；

(2)出水管總長度800 m，其中，從水錘泵開始連接無縫鋼管400 m，內徑50 mm，其厚度依次為6、5 mm，長度各200 m，然后到出水池采用PE水管400 m。

水錘泵對應的材料尺寸規格：廠家提供的水錘泵(使用壽命30年)，采用內徑100 mm、厚10 mm的無縫鋼管；其泄水閥、空氣罐均采用內徑200 mm、厚10 mm無縫鋼管。

3.2 水錘泵安裝與施工

(1)安裝。安裝技術要求，進水管不能產生振動，并形成真空管道，盡量充分利用水源最大水頭，通過比較最后選擇從水源處溶洞內進去30多m處設置進水管道入口。在施工過程中，由于各種因素制約，對進水管全部采用焊接，轉角處進行現場切割、焊接，造成焊接處無法保證進水管道內壁光滑。

(2)泵體、泵池施工。①水泵安裝在混凝土之上，因為混凝土較為堅固，安裝時用地腳螺栓固定；②泵體位置砌泵池以保護水泵；③設置了泵池，泵池預留尾水排放口，排放口和水泵泄水口兩者的高度在同一水平線上，一般會保持泵池內的水位與水泵泄水口剛好平衡，這樣水泵的效率才能保證最大。

(3)出水調試。①首次調試。安裝進水管210 m和出水管400 m(出水口位于揚程約150 m處)，調試水錘泵。水錘泵開啟以后，不能工作；觀察排水過程，發現進水管有空氣，沒有形成真空。其處理方法是，在進水管道外面距離水錘泵每間隔20 m加裝1個簡易排氣閥。②二次調試。開啟水錘泵，僅運行了2 min，自動停機。觀察運行過程，還是進水管中有空氣。考慮到進水管上部彎處多、彎急，焊接點多，導致管內部分管壁不光滑，而產生繁雜氣體流。其處置方法，在急彎處后部加裝豎立式排氣管。③三次調試。開啟水錘泵，運行了10 h，而且能完全連續自動工作。但是在出水囗測量出水流量時，發現實際出水量遠遠小于設計要求出水量。經過測量，日出水量僅40 多m3，且出水囗位置還沒有到達最高處。經過具體分析，發現出水管壓力不足，繼續尋找原因。

(4)出水量大小調試與水錘泵試驗性改造。①首次改造。通過觀察，決定將水錘泵儲水管增高1 m，即由原來的0.5 m增加至1.5 m，使儲水管的儲水量增加2倍。然后開機調試，運行正常，出水量有了明顯增加，測得日出水量近90 m3。②再次改造。為了盡可能多的增加提水量，又決定擴大儲氣罐容量，一是把儲氣罐長度從1.2 m改為 1.5 m；二是把原來的內徑200 mm改為325 mm，增加儲氣量2.3倍；同時為了增加穩定性，改豎立為橫向，以降低儲氣罐高度和重心；完成所有800 m出水管的連接工程，將出水囗提高到設計高程要求。再繼續開機調試，運行全部正常，并測得日出水量145 m3。所有指標均達到設計要求。此水泵采用了泄水閥水流降噪技術，噪音對環境影響小。

4 效益分析

(1)工程預算。經預算僅提水部分工程需投資30 萬元，其中，進出水管道材料費及施工費25萬元，水錘泵5萬元。

(2)效益對比。傳統用電抽水前期投資要80萬元以上。包括用電抽水需架設高壓線2 km、專用變50 kVA、抽水井、水泵房。

(3)經濟效益。①節約直接投資50萬元。②節約電費，每年10 萬kWh，30年共計300萬kWh，即300萬kWh×0.5 元/kWh=150 萬元；③節約人員管理費，1 500 元/人×12月×30 a=54萬元；總計節約費用50+150+54=254萬元。

5 安裝注意事項

(1)在工作過程中，應定期對泵和管道的各部分螺絲進行檢查，發現松動，應及時緊固。

(2)停止使用時，出水管口應加蓋，以免石塊或雜物進入泵內，損壞壓水閥和座架等內部機件。

(3)拆卸時，應注意運行后緩沖筒內有高壓空氣，必須先打開放水螺孔排水和放氣，再動手拆卸，以保證安全。

(4)在易凍季節里，水錘泵停止運行時，須將進水管、出水管和緩沖筒內的水放凈，以免凍裂設備。

(5)灌溉季節結束后，應對泵、管進行一次油漆防銹，以延長使用壽命。如較長時間不用時，應放凈泵中的水，可拆下排水閥涂油保管，壓水閥應擦干水分保存干燥通風處，不可接觸腐蝕類物品。

(6)拆裝泵管時，應專心仔細，使機件和法蘭墊圈等不要損壞;擰緊或擰松螺絲時要對稱均勻用力。安裝時，壓水閥和閥座應保證其同心度，不可偏位，以免運轉時損壞或影響效率。

(7)經常清理排水池內淤積的泥砂和雜物。

(8)經常巡視和維修渠道、堤壩，防止塌漏。特別是洪水季節尤應防止沖毀建筑物。

(9)安裝揚水管路。①一般會在泵的揚水管上安裝對應的控制閥門，目的在于控制水泵的啟動，另外也能有效避免水泵停止，揚水管中的水會倒流至水泵中；②為了系統今后的維護和修理工作，距離泵體的出口在10 m之內的管道安裝時盡量保持水平，保留足夠的可移動空間，方便以后的維修拆裝作業；③在鋪設揚水管路時，要注意揚程，根據1.2～2倍的對應壓力等級供水管道來進行鋪設。具體舉例就是當揚程為150 m時，采用的管材要能夠耐受2.0 MPa的壓力，也就是20 kg左右的壓力。當揚程為240 m，要兩個部分選擇管材，上半段較小，只需要0.6 MPa，也就是6 kg，下半段要求較高，需要達到3.0 MPa，也就是30 kg的水平；④在設計揚水管時，盡可能選擇直管，避免使用彎頭或者直角轉彎，這樣就能最大程度上利用流量的動能而不被阻力損耗；⑤在進行揚水管道的安裝時，注意沿線的管道不能下凹，從而避免管道內空氣排除不干凈而導致揚水量減小；⑥揚水管連接部位不能出現泄露；⑦如果水泵的揚程大于50 m的時候，需要在揚水管路上安裝逆止閥或者防回流的裝置，這是為了避免在揚水管路同樣發生水錘效應，使得水泵損壞，危及人們的生命財產安全。

6 結 語

通過實踐應用，改造后的橫向儲氣罐豎立式水錘泵，充分吸收了先進的技術方法，并結合現有水錘泵的優點，創造性地改進了儲氣罐長度和豎立管高度，擴大儲氣罐容量并增加了穩定性，同時改進了進水管道密閉性和穩定性問題，保證水錘泵在無接觸的狀態下工作，這種狀態管道之間無磨損，因而具有更高的可靠性，正因如此，在我國70%以上山區以及西部地區可以廣泛利用這種經濟效益大又安全可靠的高揚程水錘泵。這種無消耗、無污染的設備能夠為我國節能減排做出巨大的貢獻，正符合我們的環境理念：既要金山銀山，更要綠水青山。