安阳市人民医院马绍恒:泵后阀门(水锤) 的讨论 给排水On Line -服务于给排水人

关于水泵后阀门值得在这里着重地提出讨论。希望能通过我们的努力在讨论当中得到一些进步，在实践工程当中也能越发地客观有深度。 />n0&~k[h  
一．止回阀防水锤的疑问 tKJ) 'v?  
   正如我们专业课本中所学到的，止回阀实际上是造成水锤的根本原因。如果我们设想水泵是可以倒转的，而且不会破坏，那么在突然停泵之后，返回的压力波会通过水泵流至吸水池当中，能量被安全释放，因此并不会产生水锤。其依据就是我们所知道的作为理论基础的约克夫斯基公式： }  g  
H=?V*C/g E8-p ,e,  
其中： b UWtlg  
    H  表示压力升高 C8{CKrVE  
    V  表示水流速度的变化率 Dd{{ d?;B  
    C    表示水锤波的波速 w
{UU(  
    g    表示重力加速度 6zNN 8  
上述公式基本上解释了水锤，即压力波产生的原因和影响其大小的因素。水流速度的突然变化，即是产生水锤的根本原因。只要水的流速发生变化，系统压力必然发生变化。正是由于止回阀的阻挡作用使得我们会出现典型的“停泵水锤”，止回阀的关闭使得水流的速度发生显著变化，因此会产生危险的压力波动。尽管长时期以来，尤其是国内的实践应用，通过缓闭或者两阶段关闭等等方式消除水锤得到过认可，但是其适用性还是值得探讨。 9(
B)  
首先，从非专业理论的层面上看，通过调整造成水锤的因素来解决水锤，同时又不作根本的变动，本身就是一种冒险的形为。每个事物都有好与坏的两方面，人类并不能将坏的方面全部转化成有利的方面，否则就破坏了宏观的基础理论，成为正确哲学的悖论。接下来，并不是缓闭的或者两阶段关闭的止回阀是“应用四海皆准”的普适定律；因为，水锤是针对全系统而言，并不特指水泵站。因此，止回阀常常不是解决水锤的唯一答案，工程人员必须进行全系统的通盘考虑，综合解决。有些情况下水锤的发生远在止回阀的数公里以外， “止回阀调整法”就显得无所适从；第三，考虑其它的方法，可以使得我们将问题简单化，让我们在黑暗中眼前一亮。所得到的解就更加有把握，系统会更安全。 JHMj4Zkp  
4H " *.l  
二．“缓闭”的定义 DdFVOs|  
在谈论止回阀的作用时，我们往往会触及缓闭这个词汇。之所以提出它来是因为似乎这个词已经完全被商业化了。使得真正的理论在技术讨论当中出现了中断。何为缓闭？如何定义缓闭？我们应该知道这个词并不是商家给下的定义，其真正的来源正是出自搞工程的工程师们。在研究水锤当中我们国内有一个名词叫“水锤相”，而在国外称做“临界时间”，这是一个十分重要的，但却不太引起注意的一个名词。水锤相的定义为：T=2L/C p4el9O&-tV  
0um
fC  
其中： Lv5AtZl}  
T 为水锤相或临界时间 g xLA1]>{  
L 为管道长度 @%jzVF7  
C 为相应于管线的压力波速 8>epKFEg  
显然水锤相是指产生水锤波传出去并第一次传回来的时间。理论上，当止回阀关闭时间大于T，便称之为缓闭；反之称为速闭。这就意味着缓闭与非缓闭是针对系统而言，并不根据人们的喜好或者定义。因此，在很长的管道系统当中，例如水锤波需要5分钟才可以第一次返回时，即便是关闭时间可达到3分钟的“缓闭止回阀”相对系统来说都是速闭的。反之也相同，对某些系统而言较快关闭的止回阀可能却是缓闭的。 iI _Fbw8  
因此，一些好的工程师会估计出水锤的第一次返回时间，如：长10公里的管线，管道材质为钢管，其波速大约为1000米/秒，因此第一次水锤波返回时间则相应地大约为： 秒钟，继而规定缓闭止回阀的关闭时间可以设为23~25秒左右：如此关闭的止回阀可以阻止大部分返回流量对水泵的冲击，同时将流速的改变降低，从而减少压力的升高。某个南方的阀门厂的所谓“多功能水泵控制阀”在拷贝国外阀门的基础上更加表现得讨巧：在水泵停止后，立即由重力作用关闭70%的阀门，当水流返回时，该流体会将剩余的30%关闭，而滞后的时间主要根据阀门的口径而定，口径越大则后段关闭时间就越长。但无论哪种假设与设计，都应该与具体的工况分离来看，在没有经过计算的系统当中，我们并不知道那多余的3~5秒或者30%的流量会不会有效降低压力的升高，或者会不会造成对水泵的有害冲击。因此同样存在着不确定性，不加以选择的断然应用与根本不采用是同样不负责任的表现。 zPVA6~|l  
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三．“国际解释” 7aU*7!U  
最后关于止回阀的特性与所谓“好与坏”的问题。在这个问题上，遗憾的是，我们手头并不具备太多的相关专业资料，更不要谈及国内会出现全威性的理论文章进行规范。仅能参考的是英国人A.R.D.THORLEY所著的《FLUID RANSIENTS IN PIPELINE SYSTEMS》（管道系统中的瞬变流特性），在该专业书中作者提到关于止回阀的另一个特性：减速度。即阀门关闭的加速度。作者认为阀门生产商应提供阀门减速度与阀门关闭速度的关系图表，。这样工程技术人员就可以象选择水泵一样有根可据。实践证明，以关闭速度为纵坐标以减速度为横坐标，曲线越平缓则对系统的影响就越小。简单地讲就是：理想的止回阀应该具备三个特性： ZBnf?fU  
    运动部件具有较轻的质量； K3@UoR  
    从开至关的运动过程越短越好； 1 8&^k|  
    关闭的动作由弹簧等助力。 x2nNkd0h  
这是实践与实验的证明并且得到国际广泛的认可，这实际在我们的头脑中已经勾勒出理想止回阀的轮廓。 M9iu#6P  
~+|p.(I  
四．范例 19lx;^b  
在以前的某一个项目中，我们曾特地针对不同形式的止回阀关闭形式做过解释。这里提供相关的资料，以飧同行。 D!y Cnq=8  
1． 本工程描述及特点 \75%[;.  
本工程管材为钢套筒塑料管，管长约2公里，三台水泵两用一备。单泵水泵流量0.195m3/s, 扬程111m. 在水锤分析当中体现出较为特殊的几点： `4$" mO>+  
    过水流速大，近2m/s给系统安全造成一定影响； V%3K")  
    管道采用弹性较好的钢骨架塑料复合管，对水锤的作用体现得小一些。但是该种管材在大于DN500时对负压较为敏感，因此在水锤计算中尽量避免负压的出现。 |KkVt]ZQe9  
2． 工程计算 8_:jPd! 3  
2.1  恒定流计算 dhV =;'   
    在进行不恒定流计算之前先进行恒定流计算，将恒定流计算的结果(如各点的压力、流量，水泵的工作点等)作为非恒定流计算的初始条件。 p>!`JU`{?  
恒定流计算过程如下： (LGx;9S?  
2.1.1水头损失 Q
Q pe.oF  
    将整条管线分成若干计算管段先分别计算系统沿线各管段的沿程水头损失和局部水头损失，计入局部水头损失的元件包括水平弯段和垂直弯段、变径段、分岔管、汇合管、蝶阀、进出口等。  a2sN$k  
管段沿程水头损失计算按HAZEN-WILLIAMS 公式：〔5〕 <w 8*Ly:L  
f = 0.010666 * L * C ^(－1.85) * di ^ (－4.865) * CMS ^1.852 z$S)|6Q  
式中： X 5pp8~  
f ---- 单位长度的摩擦损失 mm YJF!_ kg.  
CMS--- 公制流量单位 M 3 / S 0oc5ahp  
di---- 管子的內徑 公制(m) 3 /oVl
6  
C ---- 管子的光滑係數(粗糙度) m)g:@^$  
参照安源管道实业有限公司提供的《钢骨架塑料复合管设计手册》中提供的设计参数： z-ra]  
DN500管径，流速：v=1.95m/s, 1000i=3.97 wtIXZU x  
            流速：v=2.00m/s，1000i=4.15 r3{Cuz  
计算得管段粗糙度c=180,参考国外相关资料，认为该值偏大，考虑到管线老化等原因以及国外手册，选c=170。 T}M!A|   
i管段上局部水头损失计算公式式中： LJ\uRfs  
hj，i ---- i管上局部水头损失 (m)； 8t25wPlx  
ξi  ---- 局部水头损失系数； lhZXq!2p  
Vi   ---- 经过该水力元件的流速 (m／s)。 4"at~K` Q  
    将某一计算管段i上沿程水头损失hf，i 加上该管上全部局部水头损失∑hj，i，m作为该计算管段的总水头损失hk，i〔6〕。 *6IytW OX5  
           hk，i= hf，i +∑hj，i，m leR-oeSO  
用沿程水头损失的形式表示该管段的总水头损失hf，i，该管段的流速、管径仍为Vi、Di，管长为Li，当量沿程损失系数用 λi表示，即有 mmRxs1 0$  
_c$l@8KS^  
这里求得的λi将作为水力参数进行瞬变流计算。 }$ C;ccWL  
2.1.2 恒定流分析结果 r}T(?KGx  
一泵站后管线的恒定流水力坡降图： V7DMn@Ckw  
gV~_m  
,! b9  
其中，蓝线为管线， <<WqL?8W  
红线为工作压力坡降线。 W=G8l%  
计算中发现，两水泵并联总扬程低于90米，流量大于0.5m3/s，即水泵工作点位于水泵曲线上额定工作点的右侧，水泵在低扬程高流量下工作，水泵运行方式不利。 7up~8e$_  
2.2  瞬变流计算 pgUp1goAU  
    在以上恒定流计算基础上，进行瞬变流计算。 nz2`YyR  
当压力管道中的流体因某些原因从一种稳定状态向另一种稳定状态过渡时(例如水泵的开关，系统中阀门的启闭)，就会发生瞬变流，这时管道内流体的流速要出现相应的变化。由于流体的惯性作用，流速的变化将引起管道内流体压力波动，这种压力波动现象称为水锤现象，这个流态的转变过程称为流体瞬变过程。通常希望水流从一种稳定状态向另一种稳定状态过渡时，其过程历时短，压力波动小，这就是水力过渡过程计算分析的主要任务之一。 ZX0#I W  
    因事故断电而导致全部水泵停机是泵站水力过渡过程的基本计算工况。在这种工况下，要考虑的是两种不利情况：一种是由于突然停泵，在输水系统管道内水流发生急剧变化而引起的正水锤。这种正水锤压力有时是很大的，在某些工程中可能会引起管道或设备损坏的事故。另一种是由于事故断电而导致整个输水系统突然丧失驱动力，并由于管道内压力波动，在管线的某些局部驼峰部位产生瞬时的负压区。当负压低于当时汽化压力时，管道内部分水体会发生汽化，使水柱不连续。一旦压力升高时，汽泡溃灭，水柱弥合，产生强大的冲击波，破坏管道和设备。 DMdVE P"m  
    在分析计算之前，管线的波速计算成为关键。本工程中由于管线的特殊性，在国内外的资料中鲜见相应波速的直接数据。根据安源管道实业有限公司提供的《钢骨架塑料复合管设计手册》当中提供的弹性模量为：3~4GN/m^2，再根据其它相似管材泊松模量约为0.3~0.5计算，同时考虑本系统当中有相似的两种管材，经计算取波速为400m/s （实际计算值为：398.5m/s）。 A'6-E{  
2.2.1 事故断电（两台水泵同时关停）工况的瞬变流分析 !-HJ%(5:F  
    通过瞬变流分析，前提为水泵站事故断电，两台工作中的水泵同时停止。计算中将管线内各点可能出现的最高压力值(不同时出现)包络起来，并将管线内各点可能出现的最低压力值包络起来，组成最高压力包络线与最低压力包络线图，如下： =|LB,REN  
Bv xLbl}  
{F=`IE3)w  
上图中红色水压线为正常供水压力坡降线； S'(IG m4  
兰色线为管线纵断面； a9_KoOa.H  
红色水压线的上方黑色细线便是最高压力包络线，其下方出现的黑色细线则为最低压力包络线。 De ([fC  
该段管线布设合理，并未明显起伏，管线亦不十分长，但仍能从图中看到有较高的压力波动：高压比较高，而且全管线均会出现负状况。 yZ-Ql1 1
 
仔细地考察一下管线上各点的压力波动情况： 9 K>~9Za  
0nPg`@e.  
 c?*x2Vk  
图中为水泵站点（粉红色线）与702米点（红色线）没有保护的瞬变流分析结果的压力波动状况。 gI/
SA  
其中横坐标为时间，单位：秒； d@? zCFD  
纵坐标为压力，单位：米水柱。  _ 'K6S  
分析显示，在停泵后约10秒钟，压力出现下升并至最低压力值，约-9米水柱，在本案中将水的饱和气压值设定为-9米，即水在-9米时气化，。之后，在约15秒钟压力开始升高，最高升高值达到170米左右。随后该波动做阻尼震荡，直至稳定于系统的静水压。如下为所选数点的最高压力与最低压力表： 8iPA^b|sz{  
734H{,~  
  nTE\EZ+=2  
^YB3$:@$U  
上表中可以看到管线中大部分选点皆会出现负压，则可以看到若干点均会出现水柱拉断现象，同时压力升高亦超过1600kPa，大于管线最高承受工作压力。即针对该管线必需采取防范措施。 O{Z bpa^  
2.2.2 保护方式的比较讨论 :n OCs  
    传统保护方式探讨： 7WHq'R{@  
在以往的设计中一般选用所谓的双速关闭的“多功能水泵控制阀”，该阀门的关闭特点是可以自行完成两阶段关闭过程。在本案中按上述瞬变流计算工况设计其在15秒钟关闭70%，而最终在50秒钟全部关闭，计算得出其阀门前后压力波动曲线如下： +;a\ gF^  
U Ads$ 9  
#;\tgUQ  
图中显示，在50秒阀门完全关闭后，压力仍有升高并至1.6Mpa附近，且伴有周期震动。同时考察水泵处的流量情况： -e.ygiK.`S  
FXbalQ?^  
9-.`~v  
其中红色线为水泵后流量，可以看到从15秒后负向流量加大，在至50秒钟的时间内，水泵逆向流动最高可达0.6m3/s，甚至大于水泵的正常工作流量，对水泵反冲力大，在国外工程计算当中属不允许工况。 G C@U['  
调整关闭工况，改为15秒关90%，90秒钟关闭。 Px`z$~*B:  
(Zu8WyT2  
k&o1z'图中粉色线为“多功能水泵止回阀”关阀状态，关闭后依然有较高的压力升高。红色线则试用了液控两阶段关闭蝶阀的关阀状态。该种阀门关阀后压力升高明显小于前者。但值得一提的是：液控蝶阀几乎不可能在关闭90%时有效调控，阀门将在此时产生很强的振动，无法有效工作。同时，反观相应的水泵流量曲线： mg *kB:p  
M!iYj+nrP  
5x}Or fDU  
图中同样地，红色线为油控蝶阀的关闭过程，流量渐变过程明显，而粉色线为“多功能水泵控制阀”相应的关闭过程。均可看到关阀的时间延长只不过延长了水泵倒转时间，流量较大，不适合选用两阶段关闭阀门。 6M@m`c  
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    推荐方案： %I;iP|/  
建议不采取用止回阀作为解决水锤的唯一方法，其具体形式在单泵停工况下讨论；同时在水泵房、352米处、1000米处各设置一台DN100的两阶段关闭空气阀，要求进气孔大于出气孔，比值约为：4：1以消除管线上的负压并延缓水柱弥合速度，有效降低因此而产生的局部压力升高。水泵站设计一台安蒂森阀（水锤预作用阀）通过高压前的提前打开以消除过高的压力，口径为：DN150，由于压力升高时速度快，不宜考虑打开滞后的安全阀。效果如图： Z#062NL "  
WAp#[mW.fx  
Js!V,={iX  
通过措施，高低压力包络与正常供水坡降线附合得很好，全线无负压出现，同时最高压力也视为安全。相应地考察几点处的压力波动： m_r_4BP  
cG I^IPI  
zmh3 Q a(  
图中分别标明了水泵站（PS-1）,157米，702米，1000米，1870米各点处相应的压力变化。参看各点的最高值与最低值结果表： i3 n0W1~  
olO&7jh7|  
 Z CS{D  
1?bX$$y l;  
2.2.3 小结 P(&9S`I  
对本段管线，单一的止回阀防护措施并不理想，应该为综合的防护体系。建议选用： y!?l;xMS  
    水泵站选择一台安蒂森阀，以消除水锤，口径为DN150, 安装于主管道分支管线上。 H_'L4Wv  
    在水泵房、352米处、1000米以及1700米处各设置一台DN100的两阶段关闭空气阀（两阶段关闭式），要求高速进排气时进气孔大于出气孔，比值约为：4：1以消除管线上的负压并延缓水柱弥合速度。