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泵后閥門(水錘) 的討論給排水On Line -服務(wù)于給排水人

2009.02.13

關(guān)于水泵后閥門值得在這里著重地提出討論。希望能通過我們的努力在討論當(dāng)中得到一些進(jìn)步，在實(shí)踐工程當(dāng)中也能越發(fā)地客觀有深度。
一．止回閥防水錘的疑問
正如我們專業(yè)課本中所學(xué)到的，止回閥實(shí)際上是造成水錘的根本原因。如果我們設(shè)想水泵是可以倒轉(zhuǎn)的，而且不會破壞，那么在突然停泵之后，返回的壓力波會通過水泵流至吸水池當(dāng)中，能量被安全釋放，因此并不會產(chǎn)生水錘。其依據(jù)就是我們所知道的作為理論基礎(chǔ)的約克夫斯基公式：
H=?V*C/g
其中：
H 表示壓力升高
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。正是由于止回閥的阻擋作用使得我們會出現(xiàn)典型的“停泵水錘”，止回閥的關(guān)閉使得水流的速度發(fā)生顯著變化，因此會產(chǎn)生危險(xiǎn)的壓力波動(dòng)。盡管長時(shí)期以來，尤其是國內(nèi)的實(shí)踐應(yīng)用，通過緩閉或者兩階段關(guān)閉等等方式消除水錘得到過認(rèn)可，但是其適用性還是值得探討。
首先，從非專業(yè)理論的層面上看，通過調(diào)整造成水錘的因素來解決水錘，同時(shí)又不作根本的變動(dòng)，本身就是一種冒險(xiǎn)的形為。每個(gè)事物都有好與壞的兩方面，人類并不能將壞的方面全部轉(zhuǎn)化成有利的方面，否則就破壞了宏觀的基礎(chǔ)理論，成為正確哲學(xué)的悖論。接下來，并不是緩閉的或者兩階段關(guān)閉的止回閥是“應(yīng)用四海皆準(zhǔn)”的普適定律；因?yàn)?，水錘是針對全系統(tǒng)而言，并不特指水泵站。因此，止回閥常常不是解決水錘的唯一答案，工程人員必須進(jìn)行全系統(tǒng)的通盤考慮，綜合解決。有些情況下水錘的發(fā)生遠(yuǎn)在止回閥的數(shù)公里以外， “止回閥調(diào)整法”就顯得無所適從；第三，考慮其它的方法，可以使得我們將問題簡單化，讓我們在黑暗中眼前一亮。所得到的解就更加有把握，系統(tǒng)會更安全。

二．“緩閉”的定義
在談?wù)撝够亻y的作用時(shí)，我們往往會觸及緩閉這個(gè)詞匯。之所以提出它來是因?yàn)樗坪踹@個(gè)詞已經(jīng)完全被商業(yè)化了。使得真正的理論在技術(shù)討論當(dāng)中出現(xiàn)了中斷。何為緩閉？如何定義緩閉？我們應(yīng)該知道這個(gè)詞并不是商家給下的定義，其真正的來源正是出自搞工程的工程師們。在研究水錘當(dāng)中我們國內(nèi)有一個(gè)名詞叫“水錘相”，而在國外稱做“臨界時(shí)間”，這是一個(gè)十分重要的，但卻不太引起注意的一個(gè)名詞。水錘相的定義為：T=2L/C

其中：
T 為水錘相或臨界時(shí)間
L 為管道長度
C 為相應(yīng)于管線的壓力波速
顯然水錘相是指產(chǎn)生水錘波傳出去并第一次傳回來的時(shí)間。理論上，當(dāng)止回閥關(guān)閉時(shí)間大于T，便稱之為緩閉；反之稱為速閉。這就意味著緩閉與非緩閉是針對系統(tǒng)而言，并不根據(jù)人們的喜好或者定義。因此，在很長的管道系統(tǒng)當(dāng)中，例如水錘波需要5分鐘才可以第一次返回時(shí)，即便是關(guān)閉時(shí)間可達(dá)到3分鐘的“緩閉止回閥”相對系統(tǒng)來說都是速閉的。反之也相同，對某些系統(tǒng)而言較快關(guān)閉的止回閥可能卻是緩閉的。
因此，一些好的工程師會估計(jì)出水錘的第一次返回時(shí)間，如：長10公里的管線，管道材質(zhì)為鋼管，其波速大約為1000米/秒，因此第一次水錘波返回時(shí)間則相應(yīng)地大約為：秒鐘，繼而規(guī)定緩閉止回閥的關(guān)閉時(shí)間可以設(shè)為23~25秒左右：如此關(guān)閉的止回閥可以阻止大部分返回流量對水泵的沖擊，同時(shí)將流速的改變降低，從而減少壓力的升高。某個(gè)南方的閥門廠的所謂“多功能水泵控制閥”在拷貝國外閥門的基礎(chǔ)上更加表現(xiàn)得討巧：在水泵停止后，立即由重力作用關(guān)閉70%的閥門，當(dāng)水流返回時(shí)，該流體會將剩余的30%關(guān)閉，而滯后的時(shí)間主要根據(jù)閥門的口徑而定，口徑越大則后段關(guān)閉時(shí)間就越長。但無論哪種假設(shè)與設(shè)計(jì)，都應(yīng)該與具體的工況分離來看，在沒有經(jīng)過計(jì)算的系統(tǒng)當(dāng)中，我們并不知道那多余的3~5秒或者30%的流量會不會有效降低壓力的升高，或者會不會造成對水泵的有害沖擊。因此同樣存在著不確定性，不加以選擇的斷然應(yīng)用與根本不采用是同樣不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)。

三．“國際解釋”
最后關(guān)于止回閥的特性與所謂“好與壞”的問題。在這個(gè)問題上，遺憾的是，我們手頭并不具備太多的相關(guān)專業(yè)資料，更不要談及國內(nèi)會出現(xiàn)全威性的理論文章進(jìn)行規(guī)范。僅能參考的是英國人A.R.D.THORLEY所著的《FLUID RANSIENTS IN PIPELINE SYSTEMS》（管道系統(tǒng)中的瞬變流特性），在該專業(yè)書中作者提到關(guān)于止回閥的另一個(gè)特性：減速度。即閥門關(guān)閉的加速度。作者認(rèn)為閥門生產(chǎn)商應(yīng)提供閥門減速度與閥門關(guān)閉速度的關(guān)系圖表，。這樣工程技術(shù)人員就可以象選擇水泵一樣有根可據(jù)。實(shí)踐證明，以關(guān)閉速度為縱坐標(biāo)以減速度為橫坐標(biāo)，曲線越平緩則對系統(tǒng)的影響就越小。簡單地講就是：理想的止回閥應(yīng)該具備三個(gè)特性：
運(yùn)動(dòng)部件具有較輕的質(zhì)量；
從開至關(guān)的運(yùn)動(dòng)過程越短越好；
關(guān)閉的動(dòng)作由彈簧等助力。
這是實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)的證明并且得到國際廣泛的認(rèn)可，這實(shí)際在我們的頭腦中已經(jīng)勾勒出理想止回閥的輪廓。

四．范例
在以前的某一個(gè)項(xiàng)目中，我們曾特地針對不同形式的止回閥關(guān)閉形式做過解釋。這里提供相關(guān)的資料，以飧同行。
1．本工程描述及特點(diǎn)
本工程管材為鋼套筒塑料管，管長約2公里，三臺水泵兩用一備。單泵水泵流量0.195m3/s, 揚(yáng)程111m. 在水錘分析當(dāng)中體現(xiàn)出較為特殊的幾點(diǎn)：
過水流速大，近2m/s給系統(tǒng)安全造成一定影響；
管道采用彈性較好的鋼骨架塑料復(fù)合管，對水錘的作用體現(xiàn)得小一些。但是該種管材在大于DN500時(shí)對負(fù)壓較為敏感，因此在水錘計(jì)算中盡量避免負(fù)壓的出現(xiàn)。
2．工程計(jì)算
2.1 恒定流計(jì)算
在進(jìn)行不恒定流計(jì)算之前先進(jìn)行恒定流計(jì)算，將恒定流計(jì)算的結(jié)果(如各點(diǎn)的壓力、流量，水泵的工作點(diǎn)等)作為非恒定流計(jì)算的初始條件。
恒定流計(jì)算過程如下：
2.1.1水頭損失
將整條管線分成若干計(jì)算管段先分別計(jì)算系統(tǒng)沿線各管段的沿程水頭損失和局部水頭損失，計(jì)入局部水頭損失的元件包括水平彎段和垂直彎段、變徑段、分岔管、匯合管、蝶閥、進(jìn)出口等。
管段沿程水頭損失計(jì)算按HAZEN-WILLIAMS 公式：〔5〕
f = 0.010666 * L * C ^(－1.85) * di ^ (－4.865) * CMS ^1.852
式中：
f ---- 單位長度的摩擦損失 mm
CMS--- 公制流量單位 M 3 / S
di---- 管子的內(nèi)徑公制(m)
C ---- 管子的光滑係數(shù)(粗糙度)
參照安源管道實(shí)業(yè)有限公司提供的《鋼骨架塑料復(fù)合管設(shè)計(jì)手冊》中提供的設(shè)計(jì)參數(shù)：
DN500管徑，流速：v=1.95m/s, 1000i=3.97
流速：v=2.00m/s，1000i=4.15
計(jì)算得管段粗糙度c=180,參考國外相關(guān)資料，認(rèn)為該值偏大，考慮到管線老化等原因以及國外手冊，選c=170。
i管段上局部水頭損失計(jì)算公式

式中：
hj，i ---- i管上局部水頭損失 (m)；
ξi ---- 局部水頭損失系數(shù)；
Vi ---- 經(jīng)過該水力元件的流速 (m／s)。
將某一計(jì)算管段i上沿程水頭損失hf，i 加上該管上全部局部水頭損失∑hj，i，m作為該計(jì)算管段的總水頭損失hk，i〔6〕。
hk，i= hf，i +∑hj，i，m
用沿程水頭損失的形式表示該管段的總水頭損失hf，i，該管段的流速、管徑仍為Vi、Di，管長為Li，當(dāng)量沿程損失系數(shù)用 λi表示，即有

這里求得的λi將作為水力參數(shù)進(jìn)行瞬變流計(jì)算。
2.1.2 恒定流分析結(jié)果
一泵站后管線的恒定流水力坡降圖：

其中，藍(lán)線為管線，
紅線為工作壓力坡降線。
計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，兩水泵并聯(lián)總揚(yáng)程低于90米，流量大于0.5m3/s，即水泵工作點(diǎn)位于水泵曲線上額定工作點(diǎn)的右側(cè)，水泵在低揚(yáng)程高流量下工作，水泵運(yùn)行方式不利。
2.2 瞬變流計(jì)算
在以上恒定流計(jì)算基礎(chǔ)上，進(jìn)行瞬變流計(jì)算。
當(dāng)壓力管道中的流體因某些原因從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡時(shí)(例如水泵的開關(guān)，系統(tǒng)中閥門的啟閉)，就會發(fā)生瞬變流，這時(shí)管道內(nèi)流體的流速要出現(xiàn)相應(yīng)的變化。由于流體的慣性作用，流速的變化將引起管道內(nèi)流體壓力波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象，這個(gè)流態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為流體瞬變過程。通常希望水流從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡時(shí)，其過程歷時(shí)短，壓力波動(dòng)小，這就是水力過渡過程計(jì)算分析的主要任務(wù)之一。
因事故斷電而導(dǎo)致全部水泵停機(jī)是泵站水力過渡過程的基本計(jì)算工況。在這種工況下，要考慮的是兩種不利情況：一種是由于突然停泵，在輸水系統(tǒng)管道內(nèi)水流發(fā)生急劇變化而引起的正水錘。這種正水錘壓力有時(shí)是很大的，在某些工程中可能會引起管道或設(shè)備損壞的事故。另一種是由于事故斷電而導(dǎo)致整個(gè)輸水系統(tǒng)突然喪失驅(qū)動(dòng)力，并由于管道內(nèi)壓力波動(dòng)，在管線的某些局部駝峰部位產(chǎn)生瞬時(shí)的負(fù)壓區(qū)。當(dāng)負(fù)壓低于當(dāng)時(shí)汽化壓力時(shí)，管道內(nèi)部分水體會發(fā)生汽化，使水柱不連續(xù)。一旦壓力升高時(shí)，汽泡潰滅，水柱彌合，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，破壞管道和設(shè)備。
在分析計(jì)算之前，管線的波速計(jì)算成為關(guān)鍵。本工程中由于管線的特殊性，在國內(nèi)外的資料中鮮見相應(yīng)波速的直接數(shù)據(jù)。根據(jù)安源管道實(shí)業(yè)有限公司提供的《鋼骨架塑料復(fù)合管設(shè)計(jì)手冊》當(dāng)中提供的彈性模量為：3~4GN/m^2，再根據(jù)其它相似管材泊松模量約為0.3~0.5計(jì)算，同時(shí)考慮本系統(tǒng)當(dāng)中有相似的兩種管材，經(jīng)計(jì)算取波速為400m/s （實(shí)際計(jì)算值為：398.5m/s）。
2.2.1 事故斷電（兩臺水泵同時(shí)關(guān)停）工況的瞬變流分析
通過瞬變流分析，前提為水泵站事故斷電，兩臺工作中的水泵同時(shí)停止。計(jì)算中將管線內(nèi)各點(diǎn)可能出現(xiàn)的最高壓力值(不同時(shí)出現(xiàn))包絡(luò)起來，并將管線內(nèi)各點(diǎn)可能出現(xiàn)的最低壓力值包絡(luò)起來，組成最高壓力包絡(luò)線與最低壓力包絡(luò)線圖，如下：

上圖中紅色水壓線為正常供水壓力坡降線；
蘭色線為管線縱斷面；
紅色水壓線的上方黑色細(xì)線便是最高壓力包絡(luò)線，其下方出現(xiàn)的黑色細(xì)線則為最低壓力包絡(luò)線。
該段管線布設(shè)合理，并未明顯起伏，管線亦不十分長，但仍能從圖中看到有較高的壓力波動(dòng)：高壓比較高，而且全管線均會出現(xiàn)負(fù)狀況。
仔細(xì)地考察一下管線上各點(diǎn)的壓力波動(dòng)情況：

圖中為水泵站點(diǎn)（粉紅色線）與702米點(diǎn)（紅色線）沒有保護(hù)的瞬變流分析結(jié)果的壓力波動(dòng)狀況。
其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位：秒；
縱坐標(biāo)為壓力，單位：米水柱。
分析顯示，在停泵后約10秒鐘，壓力出現(xiàn)下升并至最低壓力值，約-9米水柱，在本案中將水的飽和氣壓值設(shè)定為-9米，即水在-9米時(shí)氣化，。之后，在約15秒鐘壓力開始升高，最高升高值達(dá)到170米左右。隨后該波動(dòng)做阻尼震蕩，直至穩(wěn)定于系統(tǒng)的靜水壓。如下為所選數(shù)點(diǎn)的最高壓力與最低壓力表：

上表中可以看到管線中大部分選點(diǎn)皆會出現(xiàn)負(fù)壓，則可以看到若干點(diǎn)均會出現(xiàn)水柱拉斷現(xiàn)象，同時(shí)壓力升高亦超過1600kPa，大于管線最高承受工作壓力。即針對該管線必需采取防范措施。
2.2.2 保護(hù)方式的比較討論
傳統(tǒng)保護(hù)方式探討：
在以往的設(shè)計(jì)中一般選用所謂的雙速關(guān)閉的“多功能水泵控制閥”，該閥門的關(guān)閉特點(diǎn)是可以自行完成兩階段關(guān)閉過程。在本案中按上述瞬變流計(jì)算工況設(shè)計(jì)其在15秒鐘關(guān)閉70%，而最終在50秒鐘全部關(guān)閉，計(jì)算得出其閥門前后壓力波動(dòng)曲線如下：

圖中顯示，在50秒閥門完全關(guān)閉后，壓力仍有升高并至1.6Mpa附近，且伴有周期震動(dòng)。同時(shí)考察水泵處的流量情況：

其中紅色線為水泵后流量，可以看到從15秒后負(fù)向流量加大，在至50秒鐘的時(shí)間內(nèi)，水泵逆向流動(dòng)最高可達(dá)0.6m3/s，甚至大于水泵的正常工作流量，對水泵反沖力大，在國外工程計(jì)算當(dāng)中屬不允許工況。
調(diào)整關(guān)閉工況，改為15秒關(guān)90%，90秒鐘關(guān)閉。

圖中粉色線為“多功能水泵止回閥”關(guān)閥狀態(tài)，關(guān)閉后依然有較高的壓力升高。紅色線則試用了液控兩階段關(guān)閉蝶閥的關(guān)閥狀態(tài)。該種閥門關(guān)閥后壓力升高明顯小于前者。但值得一提的是：液控蝶閥幾乎不可能在關(guān)閉90%時(shí)有效調(diào)控，閥門將在此時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的振動(dòng)，無法有效工作。同時(shí)，反觀相應(yīng)的水泵流量曲線：

圖中同樣地，紅色線為油控蝶閥的關(guān)閉過程，流量漸變過程明顯，而粉色線為“多功能水泵控制閥”相應(yīng)的關(guān)閉過程。均可看到關(guān)閥的時(shí)間延長只不過延長了水泵倒轉(zhuǎn)時(shí)間，流量較大，不適合選用兩階段關(guān)閉閥門。

推薦方案：
建議不采取用止回閥作為解決水錘的唯一方法，其具體形式在單泵停工況下討論；同時(shí)在水泵房、352米處、1000米處各設(shè)置一臺DN100的兩階段關(guān)閉空氣閥，要求進(jìn)氣孔大于出氣孔，比值約為：4：1以消除管線上的負(fù)壓并延緩水柱彌合速度，有效降低因此而產(chǎn)生的局部壓力升高。水泵站設(shè)計(jì)一臺安蒂森閥（水錘預(yù)作用閥）通過高壓前的提前打開以消除過高的壓力，口徑為：DN150，由于壓力升高時(shí)速度快，不宜考慮打開滯后的安全閥。效果如圖：

通過措施，高低壓力包絡(luò)與正常供水坡降線附合得很好，全線無負(fù)壓出現(xiàn)，同時(shí)最高壓力也視為安全。相應(yīng)地考察幾點(diǎn)處的壓力波動(dòng)：

圖中分別標(biāo)明了水泵站（PS-1）,157米，702米，1000米，1870米各點(diǎn)處相應(yīng)的壓力變化。參看各點(diǎn)的最高值與最低值結(jié)果表：

2.2.3 小結(jié)
對本段管線，單一的止回閥防護(hù)措施并不理想，應(yīng)該為綜合的防護(hù)體系。建議選用：
水泵站選擇一臺安蒂森閥，以消除水錘，口徑為DN150, 安裝于主管道分支管線上。
在水泵房、352米處、1000米以及1700米處各設(shè)置一臺DN100的兩階段關(guān)閉空氣閥（兩階段關(guān)閉式），要求高速進(jìn)排氣時(shí)進(jìn)氣孔大于出氣孔，比值約為：4：1以消除管線上的負(fù)壓并延緩水柱彌合速度。

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