取水泵房出水管水锤事故分析和对策

徐巧权
（瑞安市自来水公司，浙江　瑞安　325200）

　　摘　要：针对水锤事故，通过计算机数学模型和仿真取得了理论依据，并根据实际情况选择了合适的国产二阶段缓闭止回阀替换了从国外引进的R型一阶段微阻缓闭止回阀。建设单位和阀门生产厂的工程技术人员先后进行了五次现场工程原型试验，终于获得成功。
　　关键词：水锤；　止回阀；　数学模型；　原型试验
　　中图分类号：TU991.39；TU991.35
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)05-0042-03

1　泵房概况

　　瑞安市江北水厂取水泵房座落在距水厂约35 km的飞云江上游江中，是一座岸边式泵房，设计规模16.5×10⁴ m³/d。
　　泵房内引进国外生产的BF—40—B型自耦安装式潜水泵及与之相关的设备，如：R型微阻缓闭止回阀、低压控制柜、控制仪表等，形成一个具有90年代水平的现代自动化取水泵房。
　　泵房内安装五台BF—40—B型潜水泵，四用一备，该泵流量为2 000 m³/h，扬程461 kPa(47 m)，每台潜水泵出口管径DN600mm，配置DN600mm R型一阶段缓闭止回阀及D341X—10型手动蝶阀。出水总管DN1 200 mm，总管设置DN100 mm排气阀二只。泵房距隧洞进口1300m，其中水平段1220m，30°坡度至隧洞进口约80 m。隧洞底标高42 m，截面2.3 m×2.3m，长度1396m，设计水位43.42m。泵址洪水位13.98m，常水位3.00m，枯水位2.21 m，潜水泵吸入口标高-1.00 m。

2　水锤事故概况

　　取水泵房在调试运行期间，管路系统不论正常停泵和断电事故情况下均发生水锤，一阶段微阻缓闭止回阀响声大，产生振动力致使泵房内墙脚花岗岩踢脚线大片震落，并对系统设施造成损坏，先后出现以下几种事故：
　　①　手动蝶阀阀体拉裂二次；
　　②　一阶段微阻缓闭止回阀阻尼油缸固定螺栓剪断三次（每台油缸固定螺栓为M14四只，每次被剪断三只）；
　　③　一阶段微阻缓闭止回阀复位重锤支撑杆（Φ24）断裂一次。

3　事故分析

　　为了解决水锤事故，借助水锤分析数学模型和计算机仿真技术进行理论分析。
3.1　潜水泵并联时水头平衡方程
　　①　断电时停泵：

　　F₁=τ²{C_P1-C_M-B_R1Q_Rv₁+H_R(α²₁+v²₁)(A₀₁+A₁₁X₁)-B_SQ_R［mv₁+(N-m)v₂］}-DH₀v₁｜v₁｜=0

　　②　非断电时停泵：

　　F₂=τ²₀{C_P2-C_M-B_R2Q_Rv₂+H_R(1-v²₂)(A₀₂+A₁₂X₂)-B_SQ_R［mv₁+(N-m)v₂］}-DH₀v₂｜v₂｜=0

　　③　潜水泵机组惯性方程：

　　F3=(α₁²+v₁²)[B₀₁+B₁₁(π+arctg(v₁/α₁))]+B₀₁-C31(α₀₁-α₂)

　　式中　N——并联泵台数
　　　　　m——断电泵台数

　　C_p=H_R+Q_R(B_R-α_RfΔt/2gD₁A₁²|Q_R|)

　　B_R=α_R/gA₁

　　C_M=Hs+Qs(B_S-α_SfΔt/2gD2A₂²|Qs|)

　　B_s=α_s/gA₂

　　式中　A₁、A₂、B₀、B₁——线性插值系数
　　　　　v——泵的瞬态无量纲流量，v=Q/Q_R
　　　　　α——泵的瞬态无量纲转速，α=n/n_R
　　　　　τ——阀的瞬态无量纲开度
　　　　　α₀——前一时段泵的无量纲转速
　　　　　β₀——前一时段泵的无量纲转距，β₀=T_O/T_R
　　　　　τ₀——阀的初始无量纲开度
　　　　　DH₀——过阀流量为Q_R时的阀门水头损失，DH₀=ξQ²_R/（2gA²_v),其中ξ为阀的阻力损失系数，A_v为过流面积。
　　④　联立方程F₁、F₂、F₃，其为以α₁、v₁、v₂为变量的线性方程组，采用Newton-Raphson方法求解。其矩阵形式如下：

　　

　　这个方程提供了H_P和Q_P之间的关系，可以与水锤特征方程联立求解。
3.2　微阻缓闭止回阀特征曲线
　　工况条件下系统内安装的一阶段缓闭止回阀假定阀板受恒力时为匀速关闭，实际运行中随着阀板的关闭其迎水面积逐渐增大，受力亦随之增大，所以关闭过程是由慢逐渐加快的过程，闭合的瞬间速度最快。
　　瞬态过程中，流量Q_P与无量纲开度τ的关系为：
　　

　　式中　τ＝(C_dA_g)/(C_dA_g)₀
　　　　　C_dA_g——阀流量系数与开启面积之积
　　　　　ΔH——过阀水头损失
　　开启角与无量纲开度之间的关系曲线如图1。

3.3　取水泵房水锤事故计算机仿真
　　①　四台潜水泵并联运行，突然全部断电，一阶段微阻缓闭止回阀15 s关闭，水锤参数曲线如图2。

　　②　一台潜水泵运行突然断电，一阶段微阻缓闭止回阀15 s关闭，水锤参数曲线如图3。

　　③　四台潜水泵并联运行，突然断电，泵出口配置缓闭止回阀按优化二阶段关闭，水锤参数曲数如图4。

3.4　事故原因分析
　　由上述水锤计算结果可知，最不利情况是四台潜水泵并联运行同时断电情况下产生的最大水锤力85 m水柱(833 kPa)，而在调试运行中为单台潜水泵运行，水锤力为65 m水柱(637 kPa)，却造成系统设施多处损坏。其主要原因有以下几种：
　　①　该型式缓闭止回阀为一阶段工作原理，不适应在该工况条件下工作，起不到消除水锤的作用。
　　②　由于管路系统中存在高位隧洞，且高位隧洞容积大。当停泵水锤压力波返回时缓闭止回阀开始关闭动作，由慢变快的过程中高位水压以加速度形成冲击力。
　　③　手动蝶阀阀体系铸铁材料，铸铁抗拉强度较差。以现场安装情况看，当发生水锤时，缓闭止回阀阀板受冲击力，对手动蝶阀阀体产生拉力而损坏。

4　事故的处理

　　在系统调试过程中，先后发生的事故作如下处理：
　　①　手动蝶阀阀体拉裂的处理。由于缓闭止回阀至蝶阀为钢管法兰联接，钢法兰强度高，用螺杆将缓闭止回阀、手动蝶阀在两端法兰间拉结成一体。当水锤发生时，作用在缓闭止回阀阀板上的冲击力通过螺杆传递到钢法兰上，避免了对蝶阀阀体产生拉力。
　　②　消除水锤力。根据二阶段缓闭止回阀的水锤参数曲线和该缓闭止回阀的工作原理，第一阶段为快关时段，在1～3 s时间内将阀板从全开状态快速关闭70°；第二阶段为慢关时段，应用缓闭止回阀油缸的阻尼作用，接快速关闭之后用15 s左右时间，缓慢地将20°阀板关闭可达到消除水锤力的目的。因此用二阶段缓闭止回阀换下从国外引进的一阶段微阻缓闭止回阀，基本上消除了水锤产生的问题。

5　结论

　　通过半年来的工作实践和对取水泵房发生水锤事故的系统分析与处理，结论如下：
　　①　高位隧洞大量储水对管线产生的水锤力不同于一般管网情况。本系统水锤事故在理论计算指导下处理方法得当，有效地解决了事故发生问题。
　　②　在本取水泵房工况下，从国外引进的一阶段微阻缓闭止回阀不能适应，而国产二阶段缓闭止回阀充分显示出其优良的性能和消除水锤的明显效果。

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收稿日期：1999-12-20