淺談?shì)斔芫€水錘防護(hù)

摘要：長距離輸水管道水錘現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，合理分析水錘產(chǎn)生的原因，確定水錘防護(hù)方案，是長距離輸水工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：水錘排氣量進(jìn)氣量防護(hù)

1 水錘的產(chǎn)生

在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水利撞擊現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。水錘計(jì)算公式：#8710;H=#8710;V*C/g；其中：#8710;H ：表示壓力升高；#8710;V ：表示水流速度的變化率；C：表示水錘波的波速；g：表示重力加速度。上述公式基本上解釋了水錘，即壓力波，產(chǎn)生的原因和影響其大小的因素。水流速度的突然變化，即是產(chǎn)生水錘的根本原因。只要水的流速發(fā)生變化，系統(tǒng)壓力必然發(fā)生變化。根據(jù)上述的計(jì)算公式，我們可以簡(jiǎn)潔地得到如下的結(jié)論：減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機(jī)械波的傳遞速度。系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會(huì)減弱，水錘就可以得到控制。

2 水錘分類

在供水系統(tǒng)中，工程人員常遇到的水錘工況是所謂“停泵水錘”?？赡艹霈F(xiàn)的工況為：試運(yùn)行時(shí)，單泵運(yùn)行關(guān)停水泵引起壓力波動(dòng)；正常運(yùn)行時(shí)，人為事故停泵，單泵或多泵。系統(tǒng)突然掉電。由于水泵的突然關(guān)停，水泵之后的管道內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)壓力下降。水錘波會(huì)快速向水流相同的方向傳遞。到達(dá)終點(diǎn)后(或終點(diǎn)閥門，或者水池，或者管網(wǎng))水錘波會(huì)返回，返回的壓力波會(huì)使水泵后管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會(huì)繼續(xù)返回，在管道中進(jìn)行阻尼震蕩，慢慢平穩(wěn)在靜水壓線上。如果，在開始的壓力下降中，壓力下降至負(fù)10米左右時(shí)，水會(huì)出現(xiàn)冷沸的現(xiàn)象。在實(shí)際當(dāng)中，我們看似水?dāng)嗔髁?，水柱被拉斷。?dāng)壓力波返回時(shí)，該管段處的水由氣迅速轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，壓力會(huì)集聚升高，便是常說的水柱彌合現(xiàn)象。這樣的水錘在實(shí)際當(dāng)中破壞性大，被稱為“非常水錘”。

3 水錘計(jì)算

3.1 關(guān)于空管充水排氣量的計(jì)算

首先，空管充水的流速應(yīng)當(dāng)?shù)玫娇刂疲?否則會(huì)產(chǎn)生正向水錘，可能威脅管道的安全。其次，空管充水不能單單依靠空氣閥來 控制，而是水泵控制，管線隔離閥門等各種運(yùn)行方式的綜合作用。在控制充水速度的同時(shí)，利用簡(jiǎn)單的公式，可以通過計(jì)算出閥門的位置以及口徑。

3.2 正常排氣量的復(fù)核

正常有壓水流的狀態(tài)中，氣泡有的是游離狀，氣泡不明顯，不凝聚，隨水流流動(dòng)；有的是形成較大，較明鮮的氣泡，且隨時(shí)凝聚或離散，隨水流流動(dòng)；再有，便是一段水，一段氣的流動(dòng)，這種工況存在時(shí)間短，屬較為極端的工況。氣泡的形態(tài)主要取決于管道內(nèi)流速以及管道的粗糙系數(shù)。氣泡能夠移動(dòng)的臨界流速為：

其中：Vc：臨界流速；θ：為管線坡度；g：重力加速度；D：為管線直徑。

如果水流的速度大于臨界流速，則在這一段管線內(nèi)空氣泡不會(huì)滯留，會(huì)被水流帶走，因此在管線中間或兩個(gè)臨近的高點(diǎn)可以不全設(shè)空氣閥。反之，則應(yīng)當(dāng)在管線中間或兩個(gè)臨近的高點(diǎn)設(shè)置空氣閥。同時(shí)，水流速越接近臨界流速，氣泡可能越不離散，而越是明鮮。

3.3 爆管進(jìn)氣量復(fù)核

進(jìn)氣量復(fù)核：

其中： Qburst——爆管所需補(bǔ)充流量；S——管線坡度；D——管徑；C——Hazen-Welliams 參數(shù)；

3.4 泄水進(jìn)氣量復(fù)核

其中：Qdrainage：泄水進(jìn)氣量；Cd：泄水流量系數(shù)；g：重力加速度；#8710;h：高點(diǎn)與泄放點(diǎn)高差；D：管道直徑；

4 水錘防護(hù)

以上四種計(jì)算綜合的復(fù)核，加之全部水力學(xué)計(jì)算，可以得到相關(guān)的空氣閥選型以及位置的結(jié)論。此外，如上所述，經(jīng)驗(yàn)的分析也十分的重要。比如：理論計(jì)算上可能會(huì)出現(xiàn)多種不同形式的閥門，應(yīng)實(shí)踐要求需要統(tǒng)籌考慮，減少閥門的品種，減少工程中可能出現(xiàn)的繁亂。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，閥門作為主要的解決方法，是較為經(jīng)濟(jì)和可靠的。工程中常用以下幾種閥門來解決和預(yù)防水錘問題。緩閉式止回閥，主要機(jī)理是，將一部分的水分流過去，以減少水流的速度變化率。理想狀況下，如果沒有止回閥，返回的水壓力則不會(huì)受到阻擋，水的壓力升高也不會(huì)大。但是實(shí)際工況中，水泵往往不能接受這樣的沖擊。因此，人們除了選擇止回閥以外，也應(yīng)用一些如空氣罐、調(diào)壓塔等措施，作為彈性體來減緩水錘的效能。在水泵之后選擇水泵控制閥，該種閥門一般與水泵進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的開啟和關(guān)閉的過程控制，由PLC或?qū)Ｓ盟每刂崎y專供的控制盒完成。在水泵開啟時(shí)，閥門緩開起到背壓?jiǎn)?dòng)的目的，使得水泵啟動(dòng)安全。甚至可以調(diào)節(jié)閥門開啟的設(shè)定壓力，如規(guī)定閥門在3bar時(shí)打開等。在水泵關(guān)閉時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)關(guān)閉，即閥門先行關(guān)閉，至完全關(guān)閉或者關(guān)閉至97%等設(shè)定點(diǎn)時(shí)，水泵開始關(guān)閉，減小流速的變化率，阻止水錘的發(fā)生。所以水泵控制閥可以解決由于關(guān)泵不當(dāng)而產(chǎn)生的水錘。壓力波動(dòng)預(yù)止閥，是一種在正常工作情下保持常閉，而在事故工況時(shí)打開的事故型閥門。主要原理是，讓返回的水錘波順暢地沒有阻擋地排放，以至消除水錘。該種閥門的最主要特點(diǎn)是在管道內(nèi)首次出現(xiàn)壓力下降時(shí)便會(huì)打開。這與在高壓出現(xiàn)時(shí)打開的安全閥不同，能夠保證及時(shí)泄壓。因?yàn)樵谒N高峰值到來時(shí)的速度太快，時(shí)間太短，安全閥沒有足夠的時(shí)間打開。水錘解決方案一定是綜合的方案。正如上述的水泵控制閥，能夠解決正常水泵關(guān)停時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，不能防止因事故停電而的產(chǎn)生的水錘。壓力波動(dòng)預(yù)止閥則僅能在一定工況下保護(hù)水泵房以及附近的管線不受水錘的破壞，但不能防止遠(yuǎn)在長途的全部管線。防水錘型空氣閥則是近些年來越來越多代替單向進(jìn)水罐，空氣罐以及調(diào)壓塔等設(shè)施的簡(jiǎn)單工具。原理是，當(dāng)水柱分離時(shí)，保證大量氣體的進(jìn)入，防止管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓至使管線被壓壞。而在水柱彌合時(shí)，則防止管內(nèi)空氣的迅速排放，形成一個(gè)可以壓縮的空氣囊，由于機(jī)械波在空氣中的傳波很慢(340m/s)，空氣囊的存在又使得水流速度變化率下降，所以會(huì)有效地減緩水錘。當(dāng)然在正常工況下，防水錘型空氣閥起到正?？諝忾y的作用。在空管充中和在管道排空的工況中，起到低壓進(jìn)排氣的作用。在管道有壓的工況下，可以進(jìn)行高壓微量排氣。

5 結(jié)論

可見，輸水管線水錘的防護(hù)，應(yīng)根據(jù)工程具體情況，分析產(chǎn)生水錘的原因，水錘形式，制定水錘防護(hù)方案。

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