关于停泵水锤分析与防护

摘要：介绍了停泵水锤的危害及其防护措施，并且介绍了在具体的技术条件下，通过电算法这种水锤计算来正确进行停泵水锤分析、判断停泵水锤危害，从而采取有效地防护措施来消除其危害。
关键词：停泵水锤防护措施 特征线法
随着城市化建设的进展，各类泵站也日益增多，而如何保证泵站及管路系统安全运行，免遭水锤破坏，越来越重要。
在压力管流中因流速剧烈变化引起动力转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。水锤是流体的一种非恒定流动，及液体运动中所有空间点处的一切运动要素（流速、加速度、动水压强、切应力和密度等）不仅随空间位置而变，而且随时间而变。

1.停泵水锤的危害

在安装有离心泵的水泵站中，因突然事故断电或其他原因而突然（开阀）停泵时，则在压水管内首先产生压力下降；随后视流速大小及管路系统情况而产生程度不同的压力上升，即停泵水锤。
泵站中发生水锤事故的现象，较为普遍，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区，尤为突出。根据以前各地区有记录的水锤事故调查可看出：泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管破裂，止回阀的上顶盖或壳体被打坏大量漏水，造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹没，泵船沉没等严重事故。个别的，还因泵站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。
在农田灌溉泵站中，常因扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚于给水工程系统，人们还特别将泵站水锤的危害列为泵站三害（即水锤、泥砂、噪声）之一。

2.停泵水锤防护措施

泵系统中停泵水锤这一水力过渡是由降压开始的。因此，目前已有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的水锤升压问题，其出发点多数是建立在对停泵水锤危害的早期防治上并大致可归纳为四种类型：
2.1 注水（补水）或注空气（缓冲）稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。属于这种类型的有（双向）调压塔、单向调压塔或单向调压（水）池、空气罐以及注空气(缓冲)阀等。
(1)双向调压塔是一种兼具注水与泄水缓冲式的水锤防护设备，其主要设置目的是：防止压力输水干管中产生负压，一旦管道中压力降低，调压塔迅速向管道补水，以防止管道中产生负压。为了防止产生负压，调压塔应当设置在可能产生负压的管道附近。当管路中水锤压力升高时，它允许高压水流进入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。
（2）单向调压塔是防止产生负压（水柱分离）和消减断流弥合水锤过高的经济有效、稳妥可靠地停泵水锤防护措施与设备。单向调压塔应当设置在输水干线上容易产生负压和水柱分离的主要特意点处。
（3）空气罐式一种内部充有一定量压缩空气的金属水罐装置。它直接安装在水泵出口附近的管路上。其消除停泵水锤升降压的原理是，当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至发生水柱分离时，又可以利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。
（4）“注空气（缓冲）”是指在停泵水锤过程中，当管路上某特异点处的压强低于当地大气压强时，大气中的空气就经过特制的注气阀被吸入管路内，从而防止了真空进一步增高。当回冲水流及升压波返回时，即空腔体积开始缩小时，阀门自动关死，腔中的空气受到一定的压缩并使回冲流速减小——起了空气垫的作用，从而对断流弥合水锤的升压起到缓冲和降低的作用。

2.2 合理选择阀门种类，延长其启闭时间——进行阀门调节与控制

阀门缓慢地关闭和开启，可减小输水干管中流速的变化率——梯度，从而可以减小水锤压力的升高和降低。为此，可选用两阶段关闭的可控阀和各种形式的缓闭止回阀。
2.3 泄水降压，避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、防爆膜、设置旁通管以及取消止回阀等。
停泵水锤消除器主要有以下三种类型：下开式停泵水锤消除器、自动复位下开式水锤消除器及自闭式水锤消除器。它们的工作原理类似，即水泵突然断电，在管路中出现低压的短促时间段内，消除器阀门迅速动作，程开启状态，待回冲水流到达时，消除器对整个管路系统起着泄水降压的作用。

2.4 其他类型

在工程设计中，还可以考虑其他类型的水锤防护措施：
（1）适当增加管道直径、壁厚、降低输水管线的流速。
（2）减少管道流速，由一个泵站变为两个泵站，用吸水井把两个泵站连接起来。
（3）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）改变管道纵断面布置形式。

3、 事故停泵水锤计算

近年来，各类城镇与工业企业的供水事业蓬勃发展。高扬程、大流量、长距离地形复杂的输水管线工程日益增多，各种类型复杂的工业管道也越来越多。因此，如何保证各类泵站管路系统安全运行，免遭水锤破坏，就越来越重要和迫切。在具体的技术条件下进行水锤分析并判断其危害程度以及采取何种防护措施并预测其技术经济效果，都要以相应的水锤计算为基础。
关于停泵水锤的计算，从方法上分，有数解综合法、图解法和电算法（特征线法）等。
这里着重介绍一下经常采用的电算法及特征线法，特征线法的基本原理是将以偏微分方程式表示水锤基本方程组转化为在特征线上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。水锤计算的特征差分方程为 (1)
(1)
式中:(3)
(4)
其中
如果沿管长任意两点A和B在t0时刻的流量和水头值已知，可由式（1）、式（2）求出P点在t0+△t时刻的流量和水头值为
(5)
(6)
式（1）至式（6）中：QA、QB分别为管道A点、B点的瞬态流动；HA、HB分别为管道A点、B点的瞬态水头；Cp、Cn为水锤特征议程的特征参量；Ca为管道的特征常数；Cf为管道的摩阻性常数；QP、HP分别为t0+△t时刻P点的流量

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和水头；△t为选定时间步长；D为管道直径；A为管道过流面积；g为重力加速度；a为水锤波速；f为管道的阻力系数。
对于泵出口和管道出口处，下一时段的流量和扬程只能根据边界条件和两处特征方程中的一个联解。
总的来讲，停泵水锤的电算法不但能解决复杂管路系统和边界条件的停泵水锤课题，而且计算效率好，计算精度高，因此，现在全球水力界几乎公认：凡是重要的水锤分析与防护设计中的水锤计算，都必须应用以特征线法为基础的电算法。
参考文献：
金锥, 姜乃昌. 停泵水锤及其防护[J].中国建筑工业出版社, 2004；
栾鸿儒. 水泵及水泵站[M]. 北京：水利电力出版社, 1993；
[3] 刘光临，刘梅清 冯卫民.采用单向调压塔防止长输水管道水柱分离的研究.水利学报，2002；
[4] 张颖．有压供水管道中气囊运动危害及其防护 [J]．宁夏工程技术，2002；
作者简介：李春霞（1989 —），女，长安大学研究生，市政工程专业
周丕杨（1988—），女，长安大学研究生，市政工程专业
马兰兰（1986 —），女，长安大学研究生，市政工程专业.
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