停泵水锤的计算原理gniq.docx

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1、停泵水锤锤计算及及其防护护措施摘要： 简要介介绍了停停泵水锤锤的计算算依据，并并采用计计算机软软件模拟拟实际工工程的停停泵水锤锤工作情情况。根根据多项项工程的的实测和和计算机机模拟结结果，提提出了泵泵房和输输水管线线设计中中应注意意的问题题以及停停泵水锤锤的防护护措施。中图分类类号：TTU9991.339文献标标识码：C文章章编号：10000-446022(20000)05-00229-004停泵泵水锤是是水锤现现象中的的一种，是是指水泵泵机组因因突然断断电或其其他原因因而造成成的开阀阀状态下下突然停停车时，在在水泵及及管路系系统中，因因流速突突然变化化而引起起的一系系列急剧剧的压力力交替升升

2、降的水水力冲击击现象。一一般情况况下停泵泵水锤最最为严重重，其对对泵房和和管路的的安全有有极大的的威胁，国国内有几几座水泵泵房曾发发生停泵泵水锤而而导致泵泵房淹没没或管路路破裂的的重大事事故。停泵泵水锤值值的大小小与泵房房中水泵泵和输水水管路的的具体情情况有关关。在泵泵房和输输水管路路设计时时应考虑虑可能发发生的水水锤情况况，并采采取相应应的防范范措施避避免水锤锤的发生生，或将将水锤的的影响控控制在允允许范围围内。我我院在综综合国内内外关于于水锤的的最新科科研成果果并结合合多年工工程实践践的经验验，以特特征线法法为基础础开发了了水锤计计算程序序。这一一程序可可较好地地模拟各各种工况况条件下下水

3、泵及及输水管管路系统统的水锤锤状况，为为高扬程程长距离离输水工工程提供供设计依依据。1停泵泵水锤的的计算原原理停泵泵水锤的的计算有有多种方方法:图图解法、数数解法和和电算法法。其基基本原理理是按照照弹性水水柱理论论，建立立水锤过过程的运运动方程程和连续续方程，这这两个方方程是双双曲线族族偏微分分方程。运动方程式为：连续续方程式式为：式中中H 管管中某点点的水头头VV管管内流速速aa水水锤波传传播速度度xx管管路中某某点坐标标gg重重力加速速度t时间f管路路摩阻系系数D管径通过过简化求求解得到到水锤分分析计算算的最重重要的基基础方程程：H-H0F(t-xx/a)+F(t+xx/a)(33)V-V

4、0g/aFF(t-x/aa)-gg/aF(tt+x/a)(4)式中中F(t-xx/a)直直接波F(t+xx/a)反反射波在波波动学中中，直接接波和反反射波的的传播在在坐标轴轴(H，VV)中的的表现形形式为射射线，即即特征线线。它表表示管路路中某两两点处在在水锤过过程中各各自相应应时刻的的水头HH与流速速V之间间的相互互关系。为为了方便便计算机机的计算算，将上上述方程程组变换换为水头头平衡方方程和转转速改变变方程，即即成事故故停泵时时水泵的的两个边边界条件件方程式式：F11PMM-BQQv+HHn(2+v2)(AA0+A1x)-H00v2/(2)00(5)F22(2+v2)(BB0+B1x)+m

5、0-C3(0-)0(6)式中中N/Nn(实际际转速/额定转转速)vQ/Qn(实际际流量/额定流流量)通过过上述两两式的联联立，采采用牛顿顿莱福福生迭代代公式，可可以解出出v和的近似似数值。将水泵的全面性能曲线改造为仅与转速和流速有关的全面性能曲线，以便计算机在解方程时取值，即：WHH(x)h/(22+v2)(7)WMM(x)m/(22+v2)(8)式中中hH/Hn(实际际扬程/额定扬扬程)mM/Mn(实际际转矩/额定转转矩)现行行的水锤锤计算方方法就是是基于上上述原理理。2几种种边界条条件下水水锤工况况的模拟拟结果根据据我国南南方某城城市取水水泵房的的水泵及及输水管管线的实实际情况况，采用用计

6、算机机程序模模拟水锤锤情况如如下（均均按最低低枯水位位计算）：基基本情况况：水泵机机组：QQn=5 0000 m33/h,Hn=55 m,NNn=7441 rr/miin,NNs=1332.44,GDD2=8744.7 kgm2，Mn=9322.722 kggm，近近期单台台运行，远远期两台台运行。 输输水管线线：DNN=1 4000 mmm,L=5 7750 m，几几何扬程程：355 m（近近期），45 m(远期)。泵房和输水管线如图1所示： 2.1假设为为有阀管管路停泵泵水锤普通止止回阀普通通止回阀阀管路停停泵水锤锤计算结结果如表表1所示示。 表1普普通止回回阀管路路停泵水水锤计算算结果

7、运行条件件泵出口处处最大压压力值(kPaa)当加大水水泵机组组转动惯惯量适当当的倍数数时，泵泵出口处处最大压压力值(kPaa)两台水泵泵并联运运行1 5336(1566.7 m)830(84.68 m)一台水泵泵运行892(91.05 m)617(63.0 mm)表11中所列列数据为为假设水水泵出口口处的流流速为零零时阀门门即刻关关闭所产产生的水水锤压力力值。实实际工况况中，阀阀门关闭闭总要一一段时间间，因此此实际水水锤值将将与表中中所列数数据有出出入。根根据计算算机模拟拟结果，如如果在此此条件下下适当增增加水泵泵机组的的转动惯惯量可以以将水锤锤压力值值明显降降低。缓闭止止回阀缓闭闭止回阀阀管

8、路停停泵水锤锤计算结结果如表表2所示示。 表2缓缓闭止回回阀管路路停泵水水锤计算算结果运行条件件最佳阀门门关闭条条件下泵泵出口处处最大压压力值(kPaa)水泵最大大倒转速速度比(/n)水泵最大大倒流量量比(QQ/Qnn)最佳阀门门关闭组组合条件件(关阀阀时间和和阀门关关闭程度度)两台水泵泵并联运运行867(88.5 mm)0.066-0.223快关：33 s，880%慢慢关：224 ss，200%一台水泵泵运行655(66.8 mm)0.033-0.115快关：33 s，880%慢慢关：221 ss，200%经过过计算机机模拟，当当关阀时时间和快快慢组合合与最佳佳模拟条条件不同同时，泵泵前最大

9、大压力值值都将有有所增加加。因此此一个装装有两阶阶段关闭闭阀门的的输水系系统，其其阀门的的操作过过程应经经过计算算确定，并并应在试试运行中中调整。此此种设备备定货时时应向制制造厂提提出具体体的技术术要求（快快、慢关关闭时间间及可调调性）。管路发生断流停泵水锤（即弥合水锤）此泵房出水管在穿越大堤处（距泵出口40 m）形成了驼峰，经计算，此处将发生弥合水锤。实际观测与计算机模拟的结果相近，计算机模拟结果如表3所示。 表3普普通止回回阀管路路发生弥弥合水锤锤计算结结果运行条件件枯水位时时泵出口口处最大大压力值值(kPPa)洪水位时时泵出口口处最大大压力值值(kPPa)枯水位驼驼峰处水水锤压力力值(k

10、kPa)洪水位驼驼峰处水水锤压力力值(kkPa)两台水泵泵并联运运行1 7005(1733.955 m)1 3112(1333.855 m)1 6995(1722.977 m)1 3002(1322.855 m)一台水泵泵运行1 1771(1199.5 m)644(65.7 mm)1 0668(1100.933 m)605(61.7 mm)从表表3得知知，当管管路中发发生断流流的停泵泵水锤（即即弥合水水锤）时时，水锤锤值很大大，达到到几何扬扬程的44倍以上上，必须须引起高高度重视视。2.2结结论性意意见停泵水水锤的大大小主要要与泵房房的几何何扬程有有关, 当几何何扬程30 m，其其各种工工况下

11、的的最大水水锤压力力值(HHmaxx)与几几何扬程程(Hoo)的比比值，水水泵最大大逆转转转速mmax与与额定转转速nn的比值值分别列列入表44。 表4几几种管路路条件下下停泵水水锤计算算结果比比较表水锤边界界条件无逆止阀阀管路普通逆止止阀缓闭逆止止阀普通逆止止阀管路路中有弥弥合水锤锤发生Hmaxx/Ho0.91.4441.91.2553.05.00maxx/n-1.225-0.22为了了避免停停泵水锤锤的危害害，可在在如下方方面采取取措施：对于于无逆止止阀的管管路系统统这这种停泵泵水锤的的情况并并不严重重，最大大的水锤锤值为几几何扬程程的1.40倍倍左右，须须注意的的是水泵泵机组倒倒转和水水

12、大量倒倒流造成成的损失失和危害害。一般般情况下下，无逆逆止阀管管路主要要应避免免水泵机机组的长长时间过过度倒转转，以防防水泵轴轴套松脱脱和机组组共振。通通过计算算程序模模拟有如如下规律律：输水水距离在在1.225.0 kkm范围围，管线线愈长，停停泵水锤锤值愈大大，水泵泵机组倒倒转愈严严重。管管线长度度超过55.0 km，长长度继续续增加对对水锤值值影响较较小。几几何扬程程增高，最最大水锤锤值和水水泵机组组倒转值值均有增增加，当当几何扬扬程550 mm时，水水泵机组组倒转值值将持续续超过额额定正转转速(maxx/n-11.0)，超过过规范的的允许范范围。在在这种情情况下应应与水泵泵制造厂厂联系

13、采采取相应应的技术术措施以以确保水水泵在倒倒转运行行工况下下安全。对对于无逆逆止阀管管路选用用转矩(Mn)较小、转转动惯量量(GDD2)较大大的水泵泵机组将将有利于于改善停停泵水锤锤发生时时的水泵泵和管路路工况，推推迟水泵泵的倒转转，降低低倒转值值。对对于装有有普通止止回阀的的管路系系统这种停停泵水锤锤的情况况较为严严重，最最大的水水锤值为为几何扬扬程的11.900倍左右右。输水水距离在在1.225.0 kkm范围围时,管管线愈长长, 停停泵水锤锤值愈大大。管线线长度超超过5.0 kkm，长长度继续续增加对对上述参参数影响响较小。几几何扬程程增高，停停泵水锤锤值也愈愈大。对对于取水水泵房，若若

14、条件许许可（输输水管路路较短，水水泵允许许短时间间倒转），可可取消普普通逆止止阀。如如果采用用了普通通逆止阀阀，则水水泵机组组、管路路配件和和管路系系统的耐耐压等级级和稳定定性均应应考虑最最大水锤锤压力值值。对对于装有有缓闭逆逆止阀的的管路系系统缓闭逆逆止阀对对于降低低停泵水水锤有明明显效果果。缓闭闭逆止阀阀的使用用应结合合具体情情况，快快慢两个个阶段的的关阀历历时应根根据泵房房水泵性性能和输输水管路路的边界界条件进进行计算算机模拟拟，得出出最佳的的理论时时间组合合，并在在试验运运行中调调整，以以期获得得最佳关关阀历时时和快慢慢两个阶阶段的关关阀历时时的分配配。如果果关阀时时间长于于或短于于最

15、佳关关阀历时时或快慢慢两个阶阶段的关关阀历时时采用不不当，均均会导致致产生很很大的水水锤压力力值。计计算机模模拟结果果表明：调整理理想的缓缓闭逆止止阀管路路的停泵泵水锤值值可控制制为几何何扬程的的1.445倍左左右，而而非理想想状况下下的缓闭闭逆止阀阀管路的的最大停停泵水锤锤值可达达几何扬扬程的22.52.88倍。此此外，快快慢两个个阶段的的关阀历历时的选选用也是是很有讲讲究的，一一般要求求停泵后后5 ss内应关关闭阀门门的800%以上上。若整整个关阀阀历程是是匀速的的也会导导致产生生较大的的水锤压压力，模模拟结果果如表55。 表5缓缓闭逆止止阀模拟拟结果关阀历时时及快慢慢时间分分配模拟最佳佳

16、关阀历历时及快快慢时间间分配其他关阀阀历时及及快慢时时间分配配情况1234关阀历时时(s)181824918快关时间间(关闭闭80%，s)3均匀关闭闭336慢关时间间(关闭闭剩余的的20%，s)1521612最大停泵泵水锤值值(kPPa)900(91.8 mm)1 3115(1344.2 m)1 7226(1766.1 m)1 3224(1355.1 m)1 0663(1088.5 m)基本参数数：几何何扬程662 mm，三台台水泵并并联工作作，输水水管路11.3 km，管管径1.0 mm。普通逆逆止阀管管路中有有弥合水水锤发生生在在输水管管路布线线时应尽尽量避免免纵坡的的突然变变化,特特别要

17、防防止出现现“驼峰峰或膝部部”，否否则可能能导致发发生弥合合水锤，而而弥合水水锤的最最大压力力值为几几何扬程程的35 倍倍，其对对泵房和和输水管管路系统统将产生生极大的的危害。一一般情况况下，驼驼峰出现现处的高高程为几几何扬程程的300%880%时时最为不不利（水水锤值最最大）。根根据模拟拟运算，当当几何扬扬程在225 mm以上且且管路中中一定的的高程位位置存在在“驼峰峰或膝部部”，其其最大弥弥合水锤锤值将超超过9880 kkPa(1000 m水水柱)。对对于弥合合水锤不不可避免免的情况况（已经经建成的的输水系系统中存存在驼峰峰），则则应采取取工程技技术措施施进行水水锤防护护。 3停泵泵水锤防

18、防护措施施由于于停泵水水锤可能能导致泵泵站和输输水系统统发生严严重事故故（如泵泵房内设设备或管管道破裂裂导致泵泵房淹没没，输水水管破裂裂导致沿沿途房屋屋渍水），因因此有必必要根据据具体情情况采取取相应的的措施来来消除停停泵水锤锤或消减减水锤压压力。降低输输水管线线的流速速，可在在一定程程度上降降低水锤锤压力，但但会增大大输水管管管径，增增加工程程投资。输水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变。通过模拟计算，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。设置水锤消除装置a.双向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点

19、接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。b.单向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。c.气压罐：国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气

20、压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。d.水锤消除器：80 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。e.缓闭止回阀：有重锤式和蓄能式两种。这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后37 s内阀门关闭70%80%，剩余20%30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在1030 s范围。可以利用计算机模拟最佳时间，并现场调试确定。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。电话：0027-8244283314-2566(O)0277-82272336466(H)