停泵水锤计算及其防护措施
孙锐
摘 要：随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的日益提高，大量的泵站工程被修建以满足供水需求，而其中对泵站供水系统安全危害较大的就是水锤事故的发生。本文在前人研究的基础上，对水锤现象中最为严重的停泵水锤现象进行了分析与研究，以期能够为今后的泵站建设提供一定的理论基础。
关键词：停泵水锤；危害；防护措施
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.252
1 前言
一直以来，如何有效地解决水锤的危害是泵站供水系统安全运行的重中之重，近几十年来国内外关于水锤的研究越来越深入，也取得了显著的成果。本文对水锤的相关概念进行简要介绍，并阐述了停泵水锤的危害及几种防护措施。
2 水锤现象的概述
2.1 水锤的基本概念
从原理的角度上来看，水锤指的主要是管道中水流的速度发生较大的变化，从而出现压力激烈升降，导致水力冲击的情况。如今，国内外大多数都将管路系统所发生的各种水锤现象，统称为“泵站管路系统水力过渡过程”，这个名称包括了所有水锤现象[1]。
2.2 水锤的分类
从目前泵站方面的信息汇总来看，如今的水锤有多种情况的出现，从不同的角度划分，可分为以下四类：
（1）根据水锤相和关阀历时的关系，可分为间接水锤和直接水锤；
（2）根据发生原因的外部条件，可分为启动水锤，关阀水锤和停泵水锤；
（3）根据水锤的水力特性，可分为刚性水锤和弹性水锤；
（4）根据的水锤的波动现象，可分为无水柱的分离水锤和有水柱的分离水锤。
2.3 水锤的危害
虽然在当前，水锤出现的时间很短，但是由于其发生时能够产生难以抗拒的巨大冲击力，而这种冲击力能够对设备乃至具体的施工人员造成较大的威胁，因此其危害不容小觑。
水锤会使压力在管道正常工作压强的几倍到几十倍的大范围波动，它会造成管道的剧烈振动和管道接头的断开，过高的压强甚至会造成管道爆裂，供水管网的压力变低。而压强过低又会导致管道的塌陷，损坏阀门和固定件，从而导致水泵反转，破坏泵房内设备和管道，泵房被水淹没，造成较大的经济损失[2]。
我国西部地区的泵站水锤事故频频发生。而这些泵站中多数水锤事故会造成管道炸开，使泵站内部的设备由于受到不可抵抗的冲击力出现损坏，从而发生严重漏水，从而导致整个供水系统暂时性中断，这些危害尚属较轻；而造成较为严重的危害则可能酿成泵站被水淹没，泵船沉没等严重事故。甚至还可能造成冲坏铁路路基、损坏设备、危及工作人员的人身安全等后果。
而对于在火电厂循环水系统中，泵的开启、事故停泵和阀门的开、闭等，都将造成不同程度的水锤危害。一般而言，在这样的情况下，整个火电厂内部的管道会由于受到压力较大出现损坏，使其动力方面不能及时供给，出现停工的情况，使管道内部出现负向的压力波，引发波后水体回流现象，而波前水体则继续前进，从而产生水锤现象。一般来说，如果出现这样的情况，会使供电厂的供电能力受到削弱，影响区域内居民电力的使用，因此应该引起有关人员高度的重视和关注。
3 停泵水锤的相关分析
3.1 停泵水锤的概念
从定义来看的话，停泵水锤指的就是设备在正常工作的过程中突然发生能源中断的情况，导致管道中的水流速度和压力出现较大波动的现象。
3.2 引起停泵的原因
发生突然停泵的原因可能有：
（1）整个电力系统由于突发的情况导致出现损坏，或者由于人员方面的错误操作引起的能源中断现象；
（2）恶劣天气导致的能源断流；
（3）整个机组出现损坏情况，如联轴器断开，泵密封环被咬住，导致电机过载，由保护装置将能源核心隔离的情况；
（4）在自动化泵站中维护管理不善，导致机组突然断电。
3.3 停泵水锤的主要特点
在由于电力能源的中断而出现上述现象时，由于管道在能源供给不足的情况下会自动的寻找替代品，因此在这样的情况下，就会导致原有的能量平衡被打破。水流的能量高于其防护的能量，出现水锤现象。一般来说，在这样的情况下，如今的水锤由于属于能量的倾泻，因此在停泵水锤具有扩散性强，破坏力大的特点。
3.4 停泵水錘的危害
由于在实际的使用过程中，这种现象主要的能量来自于水流，而水流由于长时间积压在管道内，因此其能量始终处于聚集的状态，一旦平衡被打破，就会导致整个水流沿着管路扩散，使管道遭到破坏，甚至会对周围的人员造成人身安全方面的威胁。
3.5 停泵水锤的防护措施
国内外对于水锤防护的研究已有相当长的一段时间，停泵水锤防护措施也有不少，大致可分为三种类型：
（1）补水（注气）稳压，防止水柱分离或升压过高。其中防止水柱分离主要应从管道布置上考虑，如果地形条件受限，不能变更管路布置，则可考虑在管路的适当地点设置调压装置。
1）防止水柱分离，应从管道布置考虑，不要布置成如图1所示ABC那样走向，而应布置成AB'C的走向方式。
2）如果地形条件受限，不能变更管路布置，则可考虑在管路的适当地点设置调压装置。此类调压装置主要有单向调压室、双向调压室、空气室和气囊式水锤消除器。
a.调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，使调压室上游的有压引水隧洞较好地避免了压力管道传来的水锤波进入压力引水道，使下游压力管道中的水锤值降低，减小水锤压力，缩短了压力管道的长度，同时也改善了机组在负荷变化时的运行条件。单、双向调压室工作原理类似，当管路中发生局部负压或水柱分离时，止回阀由于水箱静水位作用而立即开启，自动向管路中注水，从而避免了断流弥合水锤所引起的巨大升压，调压室一般靠近厂房。
b.空气室的空气在水泵正常工作时被压缩而具有能量。在发生水力过渡过程，管内压力升高的时侯，空气室中的空气就会被压缩，此时空气室起到气垫消能作用；而在管内压力突然下降或者发生水柱分离的时侯，还能利用压缩空气向管路中注水，消减了水锤现象造成的危害。一般可安装在水泵装置止回阀的附近。
c.气囊式水锤消除器避免了使用空气室时空气容易随水流而走的缺点。它有着弹性气囊及气体可缩性大的特点，避免了高层建筑输水管路中的水锤事故。气囊式水锤消除器由于安装和维护比较方便，因此广受好评。一般将消除器安装在水泵出口处的止回阀后或输水管路中水柱分离点附近。
（2）泄水降压，避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、缓闭止回阀和取消止回阀等。
a.消除器的主要应用价值在于其能够在水锤现象发生时，在出口压力下降，平衡即将被打破时，能够及时自动开启工作模式，而出现回流现象时，消除器也能够及时排水，使能量依旧处于平衡的状况，将水锤对于整个系统的影响降至最低。
b.缓閉止回阀的阀门的缓慢关闭或不全闭，局部可以发生倒流，能有力地降低由于开闸停泵而产生的高压水锤所带来的危害，并且能防止水流泄流，使机组的最大反转速得到控制。其中液压式缓闭止回阀是一种优秀的分阶段缓闭的设施，安装在水泵的压水管上可作为闸阀和止回阀两用。这种阀可以减小管路系统中水的倒流和消除水锤压力的波动，目前国内已有许多水厂泵站采用。
c.在泵站出口处取消止回阀，水流倒回时，就会经过泵泄回吸水井，因此不会产生很大的水锤压力，还能减少水头损失和节省电耗。但倒流的水会冲击泵倒转，可能造成轴套退扣。取消止回阀一般只适用于的低扬程非并联的泵系统。
（3）其他方式。
a.适当地增加管道壁厚、直径，降低输水管线的流速；
b.尽量减小管道长度，把泵站由一个变为两个，使用吸水井把两个泵站衔接起来；
c.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；
d.改变管道纵断而布置形式。
4 结论
就当今的科学技术发展来看，在压力管道中的水锤现象还是难以避免的。水锤具有极大的破坏性，其中水锤现象中最严重的停泵水锤需要重点进行防护消除，特别是要在早期的防护工作中下功夫。而在选取防护措施时，尽可能选择技术安全可靠、经济合理、管理维修方便的防护措施，尽量同时采用几种措施进行防护。
参考文献：
[1]兰景玲.长距离多起伏输水管道水锤防护研究[D].西安：长安大学.2009.
[2]李爱茹，董文明，浅谈“水锤效应”的危害与消除措施[J].科技信息.2010（09）：731.
