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供水管网水锤形成与危害研究

2016-10-19雷鹏

水能经济 2016年6期
关键词:给水管预防危害

雷鹏

【摘要】水锤是输水管路中由于系统水流的突变而形成的,水锤会引起一系列的压力交替变化,严重的影响到了水泵和管网的安全。论文通过对水锤现象的分析,利用水锤基本方程分析了水锤的危害,最后为预防水锤提供一些建议。

【关键词】给水管;水锤;危害;预防

1、引言

供水管网管道平均压力在0.5-2MPa之间,由于水泵系统负荷有时发生变化(如因事故突然丢弃负荷,或在较短的时间内启动机组或增加负荷),会导致水泵的突然停止或加速,当水泵流量发生变化的时,管路中的流量Q和流速V均会发生剧烈的变化,由于水属于牛顿流体,其具有一定的惯性,而管道是一个相对密闭的空间,当流速突然发生变化的时候,会使得管路中的压力也发生变化,此时容易产生水锤现象,使得管路中的压力超过2 MPa,供水管网容易出现爆管或者管道借口破裂的现象。

水锤是破坏水泵和管道的重要因素之一,对泵的零配件和管道周围会产生极大的冲击波,导致管道明漏和暗漏的流量增加,浪费水资源,危害到饮水安全。分析水-管网系统中水锤的形成机制、危害与防治做事,对于保证饮水安全有着十分重要的意义。

2、水锤现象的形成机制解析

2.1 水锤现象与特性

在供水管网输水过程中,由于停电或者检修等原因,有时候会突然关闭水泵,由于水流具有一定的惯性,进入管网的水流速度会有一定的突变,水流的突变会导致管内压力瞬间增加,而这种变化是交替波动的,这种现象称为水锤,其变化量计算公式为:

△H=(a/g)△V

其中,△H—压力水头增量;a—水锤的传播速度;g—重力加速度;△V— 速度的变化量。通过以往的经验发现,水锤的压力大约在3.5MPa左右,因此如果在年久失修的管路中,很容易导致事故的发生,导致水管破裂、尾气管气蚀发生,水泵运行产生剧烈振动、管网稳定性和安全性急剧下降。

我们可以把水锤的特性归结为以下几个方面:(1)水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力,即当突然启闭阀门时,由于启闭时间短、流量变化快,因而水击压力往往较大,而且整个变化过程是较快的。(2)由于管壁具有弹性和水体的压缩性,水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。(3)水击波传播过程中,在外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的數值及方向)决定于边界处的物理特性。

导致水锤产生的主要由于由以下几个:(1)阀门瞬间启闭;(2)水泵机组突然停止或者开启;(3)单独的管道向高地输水(高差大于20m);(4)水泵扬尘H较大;(5)输配上管路流速过大;(6)阀门没有设置排气阀。

2.2 水锤基本方程

水锤现象的物理本质是属于牛顿二定律的范围。因此可依据水流的连续性方程和动量方程导出水锤的基本方程:

方程(5)和(6)称为水锤基本方程。F、f称为任意波函数。其量纲与水头H量纲相同,故可视为压力波。F是以速度c沿x轴负方向,向上游传播的水击波,称为逆流波,它是所有逆流波的总和;同理,以速度c度c沿x轴正方向,向下游传播的水击波,称为顺流波,它是所有顺流波的总和。这两个波的性质是 t 和x的组合不变,函数值不变。

因为波函数f=0,所以方程(5)和(6)联立消去F,可得直接水击的计算公式(7):

从上式可看出:(1)关闭阀门,流速减小,水锤压力为正,发生正水锤;(2)开启阀门,流速增大,水锤压力为负,发生负水锤;(3)水锤压力仅与流速变化和水击波速有关,而与开度的变化速度、变化规律以及管道长度无关;(4)直接水锤产生的压力是巨大的,在水电站中绝对不允许出现直接水锤。若管中初始流速 V0 =5m/s, 波速 c=1000m/s,g 取10,在丢弃全负荷时若发生直接水锤,ΔH将达500m,因此自来水厂中直接水锤是应当绝对避免的。

2.3 管道设计内水压取值

管道所承受的荷载种类非常的多,包括内部荷载和外部荷载,管道内部的设计水压是最复杂的,国内外研究管道压力时,都要对管道的长期压力、瞬时压力(水锤)、极限压力等分别进行研究。

长期压力应该根据工程设计的水流速度、水量、水压等方面进行设计,通过水利模型和实际的测试水压对水力进行计算和分析,绘制出管路的水压线。

管路的瞬时压力是进行非稳定流水利过度过程的分析计算,计算时,水压为正常水压的0.5倍左右。

极限压力是管道能够承受水压的最大压力,高于这个压力管路必然会出现爆管的情况,极限压力就管材、管径的不同而不同。

2.4 水锤的危害

水锤现象对水厂二级泵站压力输水管的危害最大,当阀门瞬时启闭或者水泵突然启闭的时,压力供水管网的起端会形成负压力,当水锤波返回时,压力管道中起始端的压力从负压状态开始回升;而输配水管网中的高压点可能会变为负压电,也是管路产生破坏机制中最为严重的部位;由于水泵停止后,其没有动力,如果水泵的出口不关闭,管道中的流量会很快倒流,使得水泵机组倒转,如果严重时,会导致水泵轴套松动。

据统计表明,大部分的水锤事情都是由于水泵停泵后引起的。水锤现象由于随机性的发生,其具有瞬时性,短暂性,会对工程造成严重的损害,严重时,水泵机组会振坏,管道破裂,轻则会导致水泵机组震动,产生巨大噪声。

2.5 水锤的防护技术

为了减少水锤发生或水锤导致对管网的破坏,论文提出一下的措施:

2.5.1防护设施

设置双向调节塔:双向调节塔通过设置在管道水柱应力较弱的驼峰点,设置的溢流口标高应该高于设计的水位,溢流管道的出口采取相应防止水流冲刷导致的破坏的措施。

设置单向调节塔:单向调节塔可以在输配水管路出现异常压力的时候,将其快速的消除(负压时,可以消除负压;出现水锤时,可以减少水由于水锤产生过高的压力而对管路的破坏)。通常应在调节塔上设置止回阀,即只能允许塔中的水注入管道,而不允许管道中的水涌入水塔中。

2.5.2 防护设备

(1) 设置调节阀:调节阀的形式非常多,要根据不同的情况进行相应的设置。通过调节阀的启闭来控制管道的压力、流速,通过这种方法来干涉水锤的形成,达到水锤消除的效果。

(2)设置两阶段关闭液压可控阀:两阶段关闭液压可控阀在二级水泵启闭时能够自行的启闭,如在事故发生时,其能够自动的关闭至某一角度,其余的角度则以相当慢的速度关闭。这样即使在发生事故时,也能有效的预防水锤的形成。

(3)设置空气罐:空气罐是内部有一定的压力空气的罐子,空气管能够在管路上发生水锤时,使得内部的气囊压缩,为管道起到了缓冲的作用,管路压力下降时,气囊中的空气会快速的向管道中膨胀,有消除水锤的危害。

(4)设置水锤泄放阀:水锤泄放阀是水力式自动控制阀,如果管道中的压力超过了设计值时,水锤泄放阀会快速的开启,当管道中的压力变为正常水平时,该阀又会自动关闭,因此不会产生二次水锤效应。

(5)设置空气阀:空气阀可以消除较长的输水管断流弥合水锤危害。

3、结论与展望

进行水泵站的水锤形成分析、危害及防护措施的研究,认为要防止水锤的形成归根结底还是要管理好水泵的运行。在实践过程中,水锤是必不可免得,此时我们应该做好保护措施,防止水锤对管道的危害。

参考文献:

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