泵站水錘的成因及預防

劉海英

摘 要：按水錘成因的外部條件分為啟動水錘、關閥水錘和停泵水錘。其中以停泵水錘危害最大，造成的破壞也最為嚴重。啟動水錘常在壓水管沒充滿水而壓水閥門開啟過快的啟動情況下發生的。關閥水錘是關閉閥門過程中發生的水錘現象。停泵水錘是由于泵站工作人員操作失誤、外電網事故跳閘以及自然災害（大風、雷擊、地震）等原因，致使水泵機組突然斷電而造成開閥停車時，在泵站及管路系統中所發生的水錘現象。根據調查統計，在城市供水及工業企業的給水泵站中，大部分水錘事故都屬于停泵水錘事故。因泵站工作人員操作失誤、外電網事故跳閘以及自然災害造成的停泵水錘事故是泵站中最難以預防的。

關鍵詞：停泵水錘;軟停車

目前停泵水錘的主要防護措施有：停泵水錘消除器、緩閉止回閥、調壓塔等，這些措施大多是針對水錘發生后的情況處理，而對如何提高水泵機組用電的保障率和從水泵機組運行管理的角度降低停泵水錘強度方面的措施則很少。

1 停泵水錘的預防措施

1.1 工藝措施

采用不同供電線路的多臺水泵并聯運行。

根據水錘現象的定義：在壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉換，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替的水力撞擊現象。因此，采用不同供電線路的多臺水泵并聯運行有重大意義：當水泵機組的一路供電線路因故突然停電時，另一路水泵機組不受停電的影響正常運行。從而減弱了壓力管道中流速的劇烈變化程度，同時在一定程度上也降低了管路中產生水柱分離和斷流空腔的可能性;筆者在實踐中發現雙泵以上并聯運行時，一路電停電的可能性較大，同時兩路電都停的可能性很小，因此，采用不同電路的兩套水泵機組運行，當一路停電時，另一路的水泵機組仍能正常運行，可有效降低水泵機組因失電造成的管路壓強的波動。因此，泵站應盡量避免單泵運行。

1.2 技術措施

水泵機組采用互為備用的雙電源系統。采用該方法的原理很簡單，簡單說就是“一路常用一路備用”是由一個或幾個轉換開關電器和其他必需的電器組成，用于檢測電源電路，并將一個或多個負載電器從一個電源自動轉換到另一個電源的電器，是一種性能完善、安全可靠、自動程度高、使用范圍廣的雙電源自動轉換開關。

2 應用效果

2.1 不同供電線路多臺水泵并聯運行效果

北方某市地處平原地帶，其水廠泵站共有8臺型號相同的水泵機組，分別向兩個不同的區域供水，供電系統分別采用兩條相互獨立的供電線路。每臺泵的額定流量1520 m3/h，額定揚程45m，最大供水壓力0.50MPa，最大流量4000m3/h，最小流量2000 m3/h，日變化系數1.9，白天開4臺水泵，夜間開2臺水泵。實驗以同一供水區域的水泵機組模擬一路電源突然停電而另一路電源正常運行。實驗結果表明，當白天4臺泵并聯運行時，突然停止一臺泵的運行，供水壓力由最高供水壓力0.5 MPa迅速降低至0.48MPa，降低幅度4%左右;而夜間2臺泵運行時，突然停止一臺泵的運行，供水壓力由0.4MPa降至0.2MPa，降低幅度達50%。由此可見，水泵并聯運行臺數越多停止其中一臺水泵機組運行時的壓力與流量的變化幅度越小，由此產生的水錘波強度就越小，水泵所輸出的流量與壓力迅速補充而達到新的平衡，幾乎不產生斷流空腔，即使有斷流空腔也屬于不完全斷流型空腔，其危害程度遠遠小于完全斷流型空腔。

2.2 雙電源自動切換系統的應用效果分析

在日常生產中，只采用兩條供電系統中的一條時，由于泵站工作人員操作失誤、外電網事故跳閘以及自然災害（大風、雷擊、地震）等原因，致使整個泵站突然斷電的概率較高，但采用雙電源自動切換系統后因上述原因造成兩條相互獨立的供電系統同時停電的概率將大大降低，從而有效地提高了泵站運行及管網的穩定性。

3 啟動水錘的預防

啟動水錘常在壓水管沒充滿水而壓水閥門開啟過快的啟動情況下發生。由于在管路中存有充滿空氣的管段，而且水泵的揚程和轉速又都是變值，所以啟動時，在泵管系統中必然發生非常劇烈的流速變化和強烈的流體撞擊，從而造成水錘危害。

3.1 軟啟動

目前市場上能實現水泵軟啟動的設備主要是晶閘管電動機軟啟動器和變頻調速器。晶閘管電動機軟啟動器也被稱為可控硅電動機軟啟動器，它是一種集電動機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的電動機控制裝置，它不僅解決了電動機啟動過程中電流沖擊和轉矩沖擊的問題，還可根據應用條件的不同設置其工作狀態，有很強的靈活性和適應性。

3.2 變頻調速器軟啟動

變頻調速器具有晶閘管電動機軟啟動器的所有功能。使用變頻調速器實現軟啟動更方便，水泵管路系統運行更穩定，功能更強大。變頻調速器軟啟動時間的設置方法與晶閘管電動機軟啟動器的基本相同。

4 關閥水錘的預防

通常按正常操作程序關閉閥門是不會引起很大的水錘壓力變化的。如果違反操作程序或管道中的閥板突然脫落等情況出現時，泵站將會出現不同程度的水錘，即關閥水錘。關閥水錘帶來的危害是泵站及管網壓力急驟上升，從而造成管網爆裂、設備損壞等惡性事故。

對于這類水錘，筆者試圖從下述方法解決：PID控制器+變頻調速器閉環控制。PID控制器是根據PID控制器控制原理對整個系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求相一致。當管網突然出現壓力上升的情況時，PID控制器通過給定壓力信號于變頻調速器，使后者能較快地調整其輸出頻率，以適應管網壓力的變化，使管網壓力逐漸趨于穩定。也有的泵站采用在水泵出口處加裝安全閥的措施防止管網壓力突然上升對泵站造成的破壞。

5 軟停車在水錘預防中的作用

軟停車根據水泵使用的啟動設備的不同，可分為晶閘管電動機軟啟動器軟停車和變頻調速器軟停車兩種。晶閘管電動機軟啟動器的工作原理是晶閘管在得到停機指令后，從全導通逐漸減小導通角，經過一定時間過渡到全關閉的過程。變頻調速器是通過改變電動機的頻率來改變電動機的轉速，從而達到軟停車的效果。

5.1 軟停車的方式

按正常操作程序時的閉閘停車實際上是通過緩慢關閉出水閥門達到逐漸減少出水量、降低管網壓力的作用。隨著軟啟動器和變頻調速器的使用，在開閥的情況下，通過對軟啟動器和變頻調速器的設置，也可達到閉閘停車的效果。這個過程一般需要多次調整才能符合實際運行的要求。

5.2 軟停車的作用

當水泵機組采用軟停車的方式時，管網的壓力隨著電機的轉速按照設定的時間成比例下降，因此管中水流速度的梯度變化率比“自由停車”小的多，從而降低了管中壓力變化率，減弱水擊強度。由于水泵機組采用軟停車的方式時，可以采用開閥停車，因此，可以減少操作人員的勞動強度，也可以實現水泵機組的自動化。

5.3 軟停車的其他作用

采用開閥啟停泵不但在降低水錘強度、減少對電機的沖擊方面有著重要的作用，對有效發揮水泵機組出口管路上的液壓緩閉止回閥的功能也有積極的作用。

6 結語

①本文所提的水錘預防措施均以主動預防為主，其他水錘的防護措施可參考相關文獻;②盡量兩臺泵以上并聯運行，如實際工況采用兩臺水泵并聯運行不經濟（或其他原因）而只能單泵運行時，每臺泵宜采用雙電源自動切換供電系統，以提高供水系統的穩定性，避免因故突然停電時產生停泵水錘，造成不必要的損失。同時雙泵及以上并聯運行時，每臺泵的出口流量與壓力盡量接近，以達到最佳的停泵水錘預防的效果;③一般城市供水泵站都有兩套以上供電系統，但在實際使用過程中也發現，水泵機組只使用一條線路的居多，另一條線路只是在主線路檢修時才啟用。因此當泵站供電系統主線路突然停電時，整個泵站就會停運，給水廠造成了很大的負面影響。因此，水泵機組采用雙電源自動切換供電系統將大大提高供水系統的穩定性;④采用變頻調速器或軟啟動器啟動水泵時，應根據實際情況做好變頻調速器或軟啟動器的其他功能設置，萬不可盲目給水泵機組送電，否則會人為造成斷流彌合水錘的現象！⑤“閉閘啟動、閉閘停車”是傳統的啟、停離心泵的方式，但隨著軟啟動器和變頻調速器在泵站中的普遍使用，筆者在深入研究軟啟和軟停的基礎上，提出“開閥啟停離心泵”的新方法，該方法已在某水廠泵站得到了成功的應用，同時對泵站實現自動化具有非常現實的意義。