各種水錘防護(hù)裝置及其適用場(chǎng)合

1、各種水錘防護(hù)裝置及其適用場(chǎng)合在壓力管道中，由于水流流速因某些原因突然變化，引起水流動(dòng) 量的急劇變化，進(jìn)而在管道中產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的沖量，使水流壓力急劇 上升或降低的現(xiàn)象，成為水錘或水力過(guò)渡現(xiàn)象（又叫水擊）。水流是 具有慣性的，在泵站中，當(dāng)水泵突然啟動(dòng)、停止或?yàn)檎{(diào)節(jié)流量而啟用 閥門，都將使水流速度發(fā)生變化而產(chǎn)生慣性力，慣性力的大小等于水 流質(zhì)量m與加速度dvdt的乘機(jī)，方向與加速度方向相反。在出水管路中，這個(gè)慣性 力就表現(xiàn)為水錘壓力。泵站水錘有啟動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘。一般情況下，啟動(dòng)水錘壓力 不大，只是當(dāng)管內(nèi)空氣不能及時(shí)排出而被壓縮才會(huì)加劇水流的壓力變 化。關(guān)閥水錘在正常操作時(shí)不會(huì)引起較大的壓

2、力波動(dòng)。最危險(xiǎn)的是由 于突然停電或誤操作造成的事故停泵所產(chǎn)生的停泵水錘，此種情況下 的水錘壓力較大，有時(shí)可達(dá)正常壓力的數(shù)倍，將會(huì)對(duì)泵站造成很大的 破壞性事故。因此，在泵站及其壓力管道的設(shè)計(jì)時(shí)，通常將防護(hù)停泵 水錘事故作為主要防護(hù)手段。在泵站工程中往往由于規(guī)劃設(shè)計(jì)考慮不周或不合理的運(yùn)行操作， 導(dǎo)致水錘事故，使水泵出水管道、閥門遭到破壞，甚至使泵房被淹， 供水中斷，造成重大損失；或者，因擔(dān)心水錘事故發(fā)生盲目地套用不 恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，這不僅造成工程上的浪費(fèi)，甚至得到相反的技術(shù)后 果。因此，如何準(zhǔn)確而周到的選定安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的停泵水錘及 其防護(hù)措施及其設(shè)備，自然是泵站管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。1合理

3、布置管線布置管線時(shí)，應(yīng)盡可能地使管道縱斷面平順的上升而不形成駝峰 凸部，或采用先緩后陡的形式。如果由水泵出口開(kāi)始先陡后緩，則停 泵過(guò)程中壓力下降有可能在管道的凸部的拐點(diǎn)處引起降壓過(guò)大；當(dāng)其 壓力小于水的汽化壓力并持續(xù)一定的時(shí)間，則將可能產(chǎn)生水柱分離” 現(xiàn)象；倘若能夠?qū)⒐芫€的布置形式改變成先緩后陡的布置形式，則可 避免或減緩降壓過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)壓。管線的布置形式是按照地形確定的，變更管線的布置形式不是所 有的場(chǎng)合都能做到的。如果增加挖方量不大，或者可以選擇另外的站 址，則應(yīng)進(jìn)行多種布置方案的經(jīng)濟(jì)比較。2降低管中流速管中流速降低后，水流的慣性相應(yīng)減小，管道特性常數(shù) 2?V0gH0減小，從而降低水錘升壓

4、和降壓。但是，加大管徑，則可能增加工程造價(jià)，因而管徑 主要取決于減小管道摩擦損失和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合水錘防護(hù)，在設(shè)計(jì)泵和 計(jì)算管徑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。在某些特殊場(chǎng)合下，為了避免用昂貴 的水錘設(shè)備，采取增大管徑的措施也可能是經(jīng)濟(jì)的。3降低水錘波傳播速度水錘波速度減小，管道特性常數(shù)2?V0gH0也減小，水錘往返 管道依次所需的時(shí)間增大，也可起到減小水錘壓力變化的作用。在設(shè)計(jì)管道時(shí)，若選擇水錘 波傳播速度小的管材，在不影響管道強(qiáng)度的條件下，可適當(dāng)減小管壁 厚度；在特殊條件下，向管道中適量地補(bǔ)充空氣，或采用橢圓形截面 管道等，都可以起到減小水錘波傳播速度的作用。但一般而言，水錘 波傳播速度的變化范圍是有限的

5、，在實(shí)際工程，對(duì)防護(hù)水錘的作用很 小，有時(shí)只在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)模型實(shí)驗(yàn)。4合理選擇閥門形式，延長(zhǎng)閥門啟閉時(shí)間閥門的形式不同，在不同開(kāi)度情況下的損失系數(shù)也不相同。在相 同的關(guān)閥條件下，全閉點(diǎn)附近特性變化比較均勻的閥門（如蝶閥、針 閥等），其壓力上升較小。普通逆止閥在關(guān)閥時(shí)產(chǎn)生很高的升壓，應(yīng) 盡可能地少采用或不采用。對(duì)于高揚(yáng)程、大流量、長(zhǎng)管道的泵站系統(tǒng)， 為了防止水流倒泄和水泵機(jī)組反轉(zhuǎn)，而又不產(chǎn)生過(guò)高的水錘升壓，則 可采用各種形式的緩閉式逆止閥或兩階段關(guān)閉的可控閥，并合理地進(jìn) 行調(diào)節(jié)計(jì)算，有效地控制關(guān)閉過(guò)程。閥門慢慢的開(kāi)啟和關(guān)閉，可減小流速的變化率，因此，可減小水 錘壓力的升高和降低；但關(guān)閉的時(shí)間還

6、受水泵的運(yùn)行條件及閥門驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)等條件的限制，一般應(yīng)綜合考慮。5調(diào)壓塔一雙向調(diào)壓塔對(duì)于輸水干管而言，雙向調(diào)壓塔是一種兼具注水和泄水緩沖式的 水錘防護(hù)設(shè)備，其主要設(shè)置目的是：防止壓力輸水干管中產(chǎn)生負(fù)壓。 當(dāng)管路中水錘壓力升高時(shí)，它允許高壓水流進(jìn)入調(diào)壓塔中，從而起到 緩沖水錘升壓的作用。雙向調(diào)壓塔其構(gòu)造為一開(kāi)口的水池大水柱，裝設(shè)于輸水干管 上易于發(fā)生水柱分離的高點(diǎn)或折點(diǎn)處，而且該處水頭線超出地面不高。 當(dāng)發(fā)生突然事故停泵時(shí)，它能向管路中補(bǔ)充水，以防止水柱分離，可 有效的消減斷流彌合水錘升壓。雙向調(diào)壓塔有溢流式和非溢流式兩種。溢流式的溢流堰口標(biāo)高可 略高于水泵的正常水壓。當(dāng)管路中壓力升高時(shí)，水自塔頂

7、溢流以維持 壓力不再升高。在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高 于輸水管道終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調(diào)壓 塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(bǔ)水或泄掉管路中的過(guò)高壓力，從 而有效地避免或降低水錘壓力。這種方式工作安全可靠，但其應(yīng)用受 到泵站壓力和周邊地形的限制。6防止啟泵水錘1、排除管道空氣，使管道充滿水后再開(kāi)啟水泵。凡是長(zhǎng)距離輸 水管道的隆起處各點(diǎn)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥或設(shè)置充水設(shè)施。2、當(dāng)水泵必須在空管啟動(dòng)時(shí)，可采用分階段開(kāi)閥啟泵方式。(1) 先將水泵出口閥門打開(kāi)15%30% (蝶閥可先開(kāi)150300)，管道上其 余閥門全部開(kāi)啟。然后啟動(dòng)水泵。待管道充滿水后再

8、將水泵出水口閥門全開(kāi)或開(kāi)到所需的角度。7單向調(diào)壓塔和單向調(diào)壓池在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處 的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時(shí)，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防 止水柱拉斷，避免彌合水錘。但其對(duì)停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘 的降壓作用有限。此外單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠， 一旦該閥門失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。單向調(diào)壓塔應(yīng)當(dāng)設(shè)置于 輸水干線上易于產(chǎn)生負(fù)壓和水柱分離的諸主要特意點(diǎn)處（如主要峰點(diǎn)、 膝部折點(diǎn)、駝峰及魚(yú)背等處）。它的主要組成部分是：體積不是很大 的水箱或容器、帶有普通止回閥的向主干管中注水的注水管以及向調(diào) 壓塔容器中充水的滿水管。單向調(diào)壓塔又稱為低位

9、調(diào)壓塔，其箱中設(shè) 計(jì)水位不需要達(dá)到水泵正常工作時(shí)的水力坡度線；與雙向調(diào)壓塔相比， 其水箱（容器）的安裝高度可以大大地降低，而水箱的容積只要滿足 設(shè)計(jì)要求即可，也不很大，具有很高的經(jīng)濟(jì)性，因此在在停泵水錘危 害綜合防護(hù)中得到了廣泛地應(yīng)用。8注空氣（緩沖）用閥“注空氣（緩沖）”是指停泵水錘過(guò)程中，當(dāng)管路上某特異點(diǎn)（如 駝峰、膝部或峰頂?shù)龋┨幍膲簭?qiáng)低于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)時(shí)，大氣中的空氣 經(jīng)過(guò)特制的注氣閥被吸入管路內(nèi)，從而防止了真空的進(jìn)一步提高。當(dāng) 回沖水流及升壓波返回時(shí)，即空腔體積開(kāi)始縮小時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)死， 腔中空氣受到一定的壓縮并使回沖流速減小 起到了空氣墊的作 用，從而對(duì)斷流空腔彌合水錘的升壓起到緩沖

10、和降低的作用。由此可 見(jiàn)，“注空氣（緩沖）”是一項(xiàng)消減水柱分離危害的很有效的技術(shù)措施， 而它使用的設(shè)備就是注空氣（緩沖）用閥。注空氣（緩沖）用閥實(shí)質(zhì)上是一種只進(jìn)氣不排氣的閥門，頗類似 空氣止回閥（逆止閥），西方稱作真空釋放閥或真空破壞閥；前蘇聯(lián) 則稱為防真空（通氣）閥或充氣閥。9空氣罐空氣罐是一種內(nèi)部充有一定量壓縮空氣的金屬水罐裝置。它直接 安裝在水泵出口附近的管路上。其消除停泵水錘升降壓的原理是，當(dāng) 發(fā)生水錘管內(nèi)壓力升高時(shí)，原壓縮的空氣被再度壓縮，起到氣墊消能 作用；而當(dāng)管內(nèi)由于突然停泵壓力陡降，甚至可能發(fā)生水柱分離時(shí)， 又可利用壓縮空氣膨脹向管中注水，因而有效地消減了停泵水錘的危 害。國(guó)內(nèi)

11、使用經(jīng)驗(yàn)不多，在國(guó)外（英國(guó)）使用較廣泛。它利用氣體體 積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化氣壓罐向管道補(bǔ)水 或吸收管路中的過(guò)高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似?？諝猓▔毫Γ┕尥ǔ＿m用于設(shè)備流量較小，楊程較高，控制壓力 變化范圍較廣的情況。10停泵水錘消除器水錘消除器能在無(wú)需阻止流體流動(dòng)的情況下，有效地消除各類流 體在傳輸系統(tǒng)可能產(chǎn)生的水外錘和浪涌發(fā)生的不規(guī)則水擊波震蕩，從 而達(dá)到消除具有破壞性的沖擊波，起到保護(hù)之目的。水錘消除器的 內(nèi)部有一密閉的容氣腔，下端為一活塞，當(dāng)沖擊波傳入水錘消除器時(shí)， 水擊波作用于活塞上，活塞將往容氣腔方向運(yùn)動(dòng)?；钊\(yùn)動(dòng)的行程與 容氣腔內(nèi)的氣體壓力、水擊波大小有關(guān)

12、，活塞在一定壓力的氣體和不 規(guī)則水擊雙重作用下，做上下運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，這樣就有 效地消除了不規(guī)則的水擊波震蕩。停泵水錘消除器可分為下開(kāi)式停泵水錘消除器、自動(dòng)復(fù)位下開(kāi)式 水錘消除器、自閉式水錘消除器。80年代以前曾經(jīng)廣為采用。它安 裝于止回閥附近，管道中的水錘壓力通過(guò)開(kāi)啟的水錘消除器泄掉。某 些水錘消除器無(wú)自動(dòng)復(fù)位功能，容易因誤操作導(dǎo)致發(fā)生水錘。11蓄能式液控緩閉蝶閥蓄能式液控緩閉止回蝶閥應(yīng)用在水泵出口，兼有閘閥和止回閥的 功能，是一種能按預(yù)先調(diào)定好的程序，分開(kāi)關(guān)和緩閉兩階段的動(dòng)作來(lái) 防止水泵倒轉(zhuǎn)、消除水錘對(duì)管網(wǎng)破壞的理想設(shè)備。主要由閥體、蝶板、 閥軸、閥體密封圈、液壓站、電氣柜等組成

13、。兩階段關(guān)閉蝶閥，是國(guó) 內(nèi)外近20年研制出來(lái)的一種比較新型的特殊的出水閥門。該閥除具 有普通蝶閥所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還能消除（一般）水錘危害和節(jié)能。兩階段關(guān)閉的蝶閥在運(yùn)作上要求：在水泵啟動(dòng)時(shí)，能夠先慢后快的自行開(kāi)啟；在事故突然停泵時(shí)，能夠自動(dòng)的先快關(guān)至某一角度，余 下的角度則以相當(dāng)慢的速度關(guān)完。這樣，無(wú)論在正常啟閉水泵過(guò)程， 或在突然斷電后的水利過(guò)渡過(guò)程中，它能消除水錘危害，又不致使大 量水倒泄并使機(jī)組長(zhǎng)期反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，該閥在功能上，既具有水泵 出口操作閥門的作用，又有止回閥和水錘防護(hù)設(shè)備的作用，起到一閥 三用的功能。目前分為：重錘蓄能式液控兩階段關(guān)閉緩閉蝶閥和蓄能 罐式液控緩閉止回蝶閥。12緩

14、閉止回閥緩閉止回閥又稱逆止閥或逆止閥，其作用是防止管路中的介質(zhì)倒 流。啟閉件靠介質(zhì)流動(dòng)和力量自行開(kāi)啟或關(guān)閉，以防止介質(zhì)倒流的閥 門叫止回閥。止回閥屬于自動(dòng)閥類，主要用于介質(zhì)單向流動(dòng)的管道上， 只允許介質(zhì)向一個(gè)方向流動(dòng)，以防止發(fā)生事故。本類閥門在管道中一 般應(yīng)當(dāng)水平安裝。作用原理：通過(guò)汽缸塞的上下移動(dòng)，協(xié)助閥瓣快速 啟閉以達(dá)到密封面。有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據(jù)需 要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。一般在停電后37 s內(nèi) 閥門關(guān)閉70%80%，剩余20%30%的關(guān)閉時(shí)間則根據(jù)水泵和管 路的情況調(diào)節(jié)，一般在1030 s范圍?？梢岳糜?jì)算機(jī)模擬最佳時(shí) 間，并現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。值得注意的是，

15、當(dāng)管路中存在駝峰而發(fā)生彌合 水錘時(shí)，緩閉止回閥的作用就十分有限。13選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2較大的水泵機(jī)組或加裝有足夠慣性的飛輪 在水泵機(jī)組主軸上增裝慣性飛輪是為了加大水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J或飛輪力矩GD2,而J?GD/4g。根據(jù)理論力學(xué)中動(dòng)量矩 定理的原理知：水泵機(jī)組事故失電后，機(jī)組軸上所受減速矩等于轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量J與角減速度的乘積，即?M 反?Jdwdt2由上式可見(jiàn)，機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J越大，則角減速度的絕對(duì)值越 小，即機(jī)組轉(zhuǎn)數(shù)降低的速率很慢，轉(zhuǎn)數(shù)下降率小，從而延長(zhǎng)了水泵機(jī) 組的正常水泵工況歷史，使水泵機(jī)組依靠慣性繼續(xù)以緩慢降低的速率 向管路中補(bǔ)充水，從而有效地避免了管路中流速和水壓的急劇降低， 改善了水利過(guò)渡過(guò)程中壓力猛烈波動(dòng)狀況；在一定的距離范圍內(nèi)減少 了水柱分離的危險(xiǎn)。此防護(hù)措施僅適用于臥式水泵機(jī)組。14取消普通止回閥根據(jù)國(guó)內(nèi)外大