繆軍

（中央電視臺新址辦，北京 100020）

淺談大管徑并聯(lián)冷卻循環(huán)水停泵水錘現(xiàn)象的消除解決

繆軍

（中央電視臺新址辦，北京 100020）

水錘現(xiàn)象是管道系統(tǒng)的重大的安全隱患，本文就消除水錘的常用防護(hù)措施進(jìn)行了描述，并結(jié)合具體工程案例就大管徑冷卻循環(huán)水水錘現(xiàn)象進(jìn)行分析并提出解決措施，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，改造效果良好，保證了冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，從根本上消除了水錘現(xiàn)象的隱患。

大管徑；并聯(lián)冷卻循環(huán)水；水錘現(xiàn)象；消除解決

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，單體建筑體量的不斷增大，建筑空調(diào)冷負(fù)荷變得越來越大，隨之而來，冷卻循環(huán)水的管道也因此變得更粗，民用建筑中DN2000管徑的冷卻循環(huán)水管道也已能夠看到，水錘現(xiàn)象又是比較容易出現(xiàn)的現(xiàn)象。因此對水錘破壞進(jìn)行更加詳細(xì)的分析并提出有效的防治解決措施，避免管道水錘現(xiàn)象對管道進(jìn)行破壞具有很大的實(shí)際意義。

1 水錘

1.1 水錘的定義

管道中水的流速受到某種原因的影響突然發(fā)生了變化，因此引起壓強(qiáng)急劇降低或者升高的交替變化現(xiàn)象，這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射作用，這種水力現(xiàn)象就稱為水錘現(xiàn)象。泵水錘是水錘現(xiàn)象中的一種, 是指水泵機(jī)組因突然斷電或其他原因而造成的開閥狀態(tài)下突然停車時(shí), 在水泵及管路系統(tǒng)中, 因流速突然變化而引起的一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象。停泵水錘值的大小與泵房中水泵和輸水管路的具體情況有關(guān)。

1.2 水錘的危害

（1）壓力下降的危害:由于管路內(nèi)壓力的下降，當(dāng)小于管道外壓力的時(shí)候,管路被會被壓壞，厲害得甚至可以導(dǎo)致管道引起破裂。最嚴(yán)重的是當(dāng)管路壓力下降到負(fù)壓時(shí),則在該點(diǎn)就發(fā)生了水柱分離,當(dāng)分離的水柱再彌合時(shí),產(chǎn)生非常大的沖擊力,能夠使管道破裂。

（2）壓力上升的危害：隨著不斷上升的壓力，當(dāng)超過水泵、閥門等設(shè)備和管路的自身耐壓力的時(shí)候，就會對設(shè)備和管路進(jìn)行損壞。我們知道管道施工中，通常水壓試驗(yàn)是在壓力慢慢的逐步上升的情況下達(dá)到試驗(yàn)壓力要求的，因而壓力時(shí)間一般不超過45分鐘。而水錘的壓力是瞬間急劇上升的，超出了水壓試驗(yàn)的情況，對管道具有很大的沖擊性。

（3）倒轉(zhuǎn)的危害：水泵、電機(jī)一般情況下設(shè)計(jì)和選型時(shí)是沒有考慮倒轉(zhuǎn)的情況的，因此水錘引起的倒轉(zhuǎn)會引起設(shè)備的損壞，厲害的將導(dǎo)致設(shè)備無法進(jìn)行使用。

1.3 水錘的消除措施

針對水錘形成的機(jī)理分析，管道施工過程中經(jīng)常用到的防護(hù)措施主要有：空氣罐防護(hù)、進(jìn)排氣閥防護(hù)、單向調(diào)壓塔防護(hù)、防爆膜、水錘消除器等幾種。

以上方法都可以在不同程度上起到防止水錘的作用，但是它們普遍需要占用一定的廠房面積，額外增加的設(shè)備必然導(dǎo)致工程投資增大的問題，而且隨著設(shè)備增多，運(yùn)行隱患也會隨之增多。目前常用的是可應(yīng)用一些新型水錘防護(hù)設(shè)備，比如緩閉止回閥、緩閉蝶閥、快關(guān)止回閥等。

2 停泵水錘消除解決的工程案例

2.1 工程概況

某工程共14臺低噪聲冷卻塔（每臺塔處理能力=1000m3/h），其中12臺塔中的每2臺塔與1臺大型制冷機(jī)組同時(shí)運(yùn)行；另外2臺塔中的1臺塔將與2臺小型制冷機(jī)組配合使用，1臺備用。7臺冷卻循環(huán)水泵(Q=1830m3/h）6用1備，3臺冷卻循環(huán)水泵(Q=500m3/h) 2用1備與14臺冷卻塔配合運(yùn)行。為保證空調(diào)機(jī)組在冬季的正常運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置DN600旁路循環(huán)管。旁路循環(huán)管和冷卻塔進(jìn)出總管相連，并在旁路與冷卻塔出水總管的三通口處設(shè)置三個(gè)電動閥。該旁路環(huán)網(wǎng)把空調(diào)機(jī)組及冷卻循環(huán)水泵合成一個(gè)系統(tǒng)小循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)水溫過低時(shí)，由小循環(huán)系統(tǒng)通過空調(diào)機(jī)組加熱提高水溫直至系統(tǒng)水溫達(dá)到要求，關(guān)閉旁路管上的電動閥進(jìn)入正常運(yùn)行。為保證小循環(huán)管網(wǎng)中的水溫保持18℃，該管網(wǎng)采用電伴熱保溫技術(shù)。

冷卻循環(huán)水系統(tǒng)采用并聯(lián)系統(tǒng)，進(jìn)出水總管徑都達(dá)到DN2000，每臺冷卻循環(huán)水泵進(jìn)出口管徑達(dá)到DN600/DN500（大水泵）和DN300/DN350（小水泵）。原設(shè)計(jì)水泵進(jìn)出口設(shè)置三功能閥和彎頭過濾器。由于受機(jī)房面積所限，三功能閥垂直安裝在管路上。如此大口徑的三功能閥垂直安裝在國內(nèi)鮮有成功案例。現(xiàn)實(shí)使用中停泵水錘現(xiàn)象明顯，泵體移位，限位支架被頂彎，基礎(chǔ)破損，軟連接破損嚴(yán)重。

2.2 解決方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，曾將三功能閥替換為緩閉式止回閥用來解決水錘現(xiàn)象。緩閉式止回閥工作原理是：當(dāng)水流倒流水錘已經(jīng)來臨時(shí)如何減輕或消除其沖擊，即當(dāng)停泵時(shí)，通過液壓裝置快關(guān)約 80%，接著慢關(guān)剩余20%。由于緩閉閥的調(diào)節(jié)范圍有限，精度低，無法準(zhǔn)確控制閥瓣動作時(shí)間，因此緩閉閥難以應(yīng)對。通過調(diào)整緩閉式止回閥延遲關(guān)閉時(shí)間，調(diào)整閥體內(nèi)孔板的直徑等方法，水錘現(xiàn)象依然明顯，有改觀但沒有根本根治。因此考慮另辟捷徑，采用快關(guān)閥方式解決水錘問題。快關(guān)型止回閥的特點(diǎn)是：當(dāng)水泵突然停止時(shí)，在供水管水流開始倒流之前就迅速關(guān)閉，避免水錘產(chǎn)生沖擊。

2.3 水錘的計(jì)算方法

在水泵水錘計(jì)算方法中，常見的有計(jì)算機(jī)模擬法，逐次計(jì)算法及圖解法。由于涉及到眾多因素，計(jì)算甚為復(fù)雜。計(jì)算的目的是尋求在水泵突然停電時(shí)所產(chǎn)生的最低及最高壓力，以及其發(fā)生在什么時(shí)段。為此，我們可以參照這些數(shù)據(jù)，控制閥門、逆止閥等。以便盡可能地避免水錘的影響，將水錘的危害降低到允許范圍。用逐步計(jì)算及圖解法計(jì)算水錘參數(shù)，通過設(shè)計(jì)的計(jì)算，基本參數(shù)如表1。

表1

根據(jù)計(jì)算得到以下結(jié)論。（1）從計(jì)算表中可以看出：在斷電停泵經(jīng)過t=0.672秒，就開始倒流，壓力最低點(diǎn)在A_12點(diǎn)，此點(diǎn)最低壓力比為水泵揚(yáng)程的1.85倍，即H=29×1.85=54m。

（2）如果我們的冷卻泵斷流采用普通的止回閥，那么根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其在倒流開始0.3秒后關(guān)閉，也就是由A_12點(diǎn)開始0.3秒達(dá)到A_16點(diǎn)，此時(shí)壓力達(dá)到最大，即3.3倍，H=29×3.3=96m。

2.4 消除水錘的措施

（1）使送水管的水倒流：也就是說，系統(tǒng)不設(shè)止回閥，在設(shè)計(jì)上故意使水泵和電機(jī)可以倒轉(zhuǎn)，以消除水錘的影響。但是，在多數(shù)情況下，動力和設(shè)備很難做到。

（2）降低管線內(nèi)水流的流速，會在一定程度上降低水錘的影響，但會隨之而來的會增大水管管徑，增加工程初投資。在輸水管線布置時(shí)盡量通過改變管道走向等措施，避免出現(xiàn)彌合點(diǎn)。這一條，對于已建成使用的系統(tǒng)來說已無意義。

（3）設(shè)置水錘消除裝置： 設(shè)置雙向調(diào)壓塔：在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建雙向調(diào)壓塔，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高于管道的水面高度。雙向調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(bǔ)水或泄掉過高壓力，有效地防止和避開能夠引起水錘現(xiàn)象的壓力范圍。

（4）在水泵出水口管上加止回閥，并在供回水管道上加反向止回閥：

從上面分析可以看出，當(dāng)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象時(shí)，水流要倒流，即供回水管壓力方向相反，這時(shí)回水管上止回閥就打開了，而使供水管壓力下降。但是，這種方法只是一種緩解的方法，止回閥的開啟是有限可控的，很難與實(shí)際壓力變化相適應(yīng)。

（5）設(shè)可控式緩閉止回閥：從以上計(jì)算可看出：在A_11點(diǎn)以后壓力降至最低點(diǎn)，A_12點(diǎn)開始出現(xiàn)正轉(zhuǎn)逆流。因此，我們可在A_12點(diǎn)之前，也就是斷電停泵0.672秒前，使止回閥關(guān)閉70～80%，在A_12點(diǎn)之后采用自控方法，使止回閥慢慢關(guān)閉剩余的20～30%開度。

（6）采用快關(guān)止回閥：這是90年代開始在我國使用的一種止回閥，其原理即在突然停泵的情況下，在管道水流倒流之前就快速關(guān)閉，使水錘不能形成，此閥的行程很小，能在零點(diǎn)幾秒的時(shí)間內(nèi)動作，是解決水錘沖擊的有效方法。

（7）采用變頻調(diào)速裝置啟動和停泵：此方法可有效地消除水錘的影響，防止系統(tǒng)壓力突然升降。即使在突然斷電的情況下，也能使水泵緩?fù)?，但投資較高，實(shí)例較少，能否在有效的時(shí)間段起效，有待研究。

2.5 綜合以上措施，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最現(xiàn)實(shí)可行的是采用快關(guān)止回閥。

（1）快關(guān)止回閥原理及應(yīng)用：快關(guān)型止回閥，即在管道水流倒流前關(guān)閥，避免水錘的產(chǎn)生。

（2）國內(nèi)有成功案例的大管徑并聯(lián)系統(tǒng)采用快關(guān)型止回閥的主要有以下兩種閥。兩種閥的構(gòu)造特點(diǎn)及原理、優(yōu)缺點(diǎn)如下：①（第一種結(jié)構(gòu)圖見圖2a快關(guān)型止回閥結(jié)構(gòu)圖）從結(jié)構(gòu)圖可看出，閥瓣4有一個(gè)中心彈簧5和閥桿7，因此閥瓣的中心定位很重要，定位是靠支架8和閥體1的配合來確定，如果配合不當(dāng)，閥瓣將偏移，而墊片3與閥座2接觸面較小，閥的密封就難保證。墊片的材質(zhì)一般采用進(jìn)口的，屬特殊備件。彈簧在閥桿上滑動，如有異物卡住，將影響閥的開閉。閥瓣的關(guān)閉不是由于閥瓣回水對閥瓣作用力，因?yàn)樵诠┧沽髦?，回水流向是指向水泵的，對閥瓣的作用力是向開啟的方向；實(shí)際是，當(dāng)停泵時(shí)，供水管流速開始下降，水流動壓開始下降，作用在閥瓣上推力減小，這時(shí)閥瓣的運(yùn)動主要依閥瓣中心彈簧反力使閥瓣關(guān)閉。閥的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單輕巧，零部件少。由于閥體內(nèi)腔設(shè)計(jì)不盡合理，易造成渦流，水力阻力較大，同時(shí)廠家也未能明確說明是在水流倒流之前閥門關(guān)閉。

圖1

②（第二種結(jié)構(gòu)圖見圖2b快關(guān)型止回閥結(jié)構(gòu)圖） 由于閥體內(nèi)部采用流線型設(shè)計(jì)，大口徑閥采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，水流可從閥瓣5、6內(nèi)外側(cè)同時(shí)通過，因此，水流阻力小。通過完整的水流測試報(bào)告顯示，對于φ600的閥，當(dāng)管道流速為2.28m/s時(shí)，阻力為1.56kPa,即0.156米水柱。現(xiàn)工程冷卻水泵出口管徑φ500，流速2.88m/s，阻力不會超過0.2米水柱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的不大于1米水柱的要求。這是其他同類閥難以達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。

由于閥瓣5，6與閥座行程較小，閥瓣關(guān)閉時(shí)間很短，當(dāng)停泵水流倒流之前就能很快關(guān)閉。根據(jù)計(jì)算，冷卻水泵在停泵時(shí)，水流開始倒流是發(fā)生在0.734秒后（見表1計(jì)算中圖解計(jì)算表，編號A12點(diǎn)，此時(shí)流量比V為-0.05），而閥的關(guān)閉時(shí)間為0.15秒，即遠(yuǎn)在倒流來臨之前閥瓣就關(guān)閉了，從理論上分析，閥瓣正好在倒流將要發(fā)生的0點(diǎn)關(guān)閉最佳，但在實(shí)際動作上幾乎是不可能的。

上閥體和環(huán)形閥瓣由三個(gè)彈簧支撐，閥瓣面接觸平整，密封性好。接觸面也較大，受力均勻。彈簧7沒有中心導(dǎo)桿，是靠彈簧槽孔定位，磨擦力小，阻力小，不易被異物卡住。

中心連接桿8使上下閥瓣固定為一個(gè)整體。如果松動，閥就不能正常工作。廠家在此點(diǎn)上做了可靠措施，即將中心桿上的螺母上緊1000NM的力矩，并在螺母六角邊開口，擰進(jìn)定位螺釘，確保此處永不檢修。比起第一類閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

（3）通過對兩種快關(guān)型止回閥的產(chǎn)品及工程實(shí)例的考察和分析，認(rèn)為，兩種閥門都有成功案例，對解決工程停泵水錘問題都具有較強(qiáng)的可行性；經(jīng)過系統(tǒng)安裝試用后，第二種閥門在該系統(tǒng)中能夠更好地解決水錘想象的發(fā)生，改造效果良好，保證了冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，從根本上消除了水錘現(xiàn)象的隱患。

4 結(jié)語

水錘現(xiàn)象在輸水管路上發(fā)生是不可避免的，每個(gè)工程的情況又不太一樣，找到屬于本系統(tǒng)的有效的水錘防護(hù)辦法，是擺在每個(gè)工程技術(shù)人員面前的問題。本工程案例給出了大管徑并聯(lián)冷卻水水錘防護(hù)措施。

[1]金錐，姜乃昌，汪興華 .停泵水錘及其防護(hù) (第二版)[M].中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

[2]給水排水設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑 工業(yè)出版社.

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