高扬程水锤泵及其相关专利技术在农村提水实践中的推广应用研究

肖 晓

(湖南省张家界市慈利县新城区水利管理站，湖南 慈利 427000)

1 水锤泵的工作原理

水锤泵是通过机械的作用效果，用低水头水能将部分低处水强压到高处的提水装置。其主要构造为进水蓄水池、耐压进水管、专用泵体、泵体低处活动泄水阀、泵体高处气室压力阀、高压压力罐、出水管七大部分。可以将动能转换为压力能的一种简单机械。

1.1 工作原理

水锤泵工作原理是根据流动中的水在运动时一旦被突然中断动作，就会产生相应的能量，利用这股能量，可升高一部分的水压至一定高度，从原理上来看也就是泵的作用，如图1所示。水流顺着管道在重力作用下往低处流，到了单向阀A处附近的时候，由于水流产生的冲力作用，迫使原本开启的阀门因力的作用而关闭，只要水往下流时积累足够的速度，速度越大，冲力越大，就会产生关闭效果，因此这个单向阀A也就是泵体低处活动泄水阀。因为水流突然停止，相当于紧急制动，水流所具有的动能在瞬间变成了压力能，这股能量使得泵体结构高处的阀门B被冲开，水流顺着出口阀门B进入管道中，也就是高压压力罐中，并在压力的作用下上升到一定高度。紧接着，因为水流进入高压压力罐中，使得进水管的压力得到释放，所以阀门A就会迅速回落，为了阀门A回落的速度更快，在设计结构时不仅利用了阀门A本身的重力作用，还设置了专门的辅助弹簧，让阀门A对力更敏感，当阀门A落实之后就回到了初始状态，同一时间，压力阀B也因为水流进入压力罐压缩了空气使得压力增大而被关闭，也回到最初的状态，整个过程就是如此循环往复，周而复始。根据实验数据证明，水锤泵的作用效果大概为总体水量的15%，水的落差高度为5倍的样子。经过实验数据和理论探索，得出了水锤泵的效率公式：

η=ε·嗞

式中：η表示水锤泵的效率；ε表示部分水流在压力作用下升高的高度再加上在出水管里面沿程损失的水头与工作水落差的比值；嗞代表在压力作用下升高的水流量大小与往下流动的工作水流量的比值。

图1 水锤泵示意图

根据实际经验总结，效果比较好的水锤泵η在85%以上。在安装做功部分的进水管时，需要控制安装的平衡倾斜度，一般要保证在1∶4的水平之上(即落差1 m，管长不少于4 m)，这样的水流会有最好的制动效果，发挥更大的作用。水锤泵的优点非常明显，首先工作中运动的元件简单易得，且不易损坏，从整体结构来说，构造不复杂，在整个过程中都不需要人为看守自动进行，还不用借助其他动力来源。不过在进行泵的设计时还是需要考虑到组成部分的坚硬程度和强度，因为水锤作用还是有一定的冲击性，要保证构件不会因为冲击太大而被损坏。

1.2 工作效率

水锤泵的提水量的决定因素有很多，除了常见的扬程之外，还会受到进水管镇墩以及进出水管的直径影响，水锤泵的效率有两种，一种是本身效率，另一种是装置效率，后者指的是在管道沿程阻力和局部阻力的双重作用下，还保持的工作 效率。

装置效率p计算公式：

式中：q为水锤泵提水量，L/min；Q为进入水锤泵进水管的水流量，L/min；H为水落差，m；h为扬程，m；h1为出水管沿程阻力损失，m；h2为出水管局部阻力损失，m。

一般在计算实际提水量时可采用下式：

水的利用率:

1.3 水锤泵的优缺点

动力来源不需要借助其他外部能量来源，整个过程没有消耗电能等，只需要水流本身提供能量来源；能量的利用率相对较高，据数据显示，效率最大达到了85%以上，要知道目前制作的小型电动水力机组都比不上它的效率，仅在50%左右;可靠性高，如果按汽车发动机的标准制造，使用的时间非常久，可以维持200多年不被损坏，在工作时不需要专门的人员看管，整个架构不需要修建泵房，节约了大量的经济投入，比常规的电泵站在初期投入的资金要少得多，同时后期运行维修费用也低很多。

不过传统的水锤泵还存在一定的问题:最主要的问题就是工作产生的水锤噪声达到了严重噪音污染的水平，通常有90～130分贝，人们一旦接近，会严重损害听力，产生耳内刺痛的感觉，为了尽可能地避免这个问题，国际上选择将水锤泵应用于偏远、人口稀少的农村，不会在人口非常集中的地区使用该装置，国内同样如此。除此之外还存在的问题就是其功率较小，目前最大的水锤泵的进口直径已经达到了2.5 m，但是仍然不能跟上大规模开发低水头能源的发展要求。

1.4 安装环境、条件及选址原则

水锤泵对安装的选址有一定的要求，直接决定了其工作效率，是它正常稳定工作的决定性因素，所以在选址时要注意：

(1)保证水头的水资源丰富，如果一年四季都能保证水流的存在是最佳的，同时在水量上也要符合要求；

(2)落差在一定范围内(0.3～100 m均可)，选择的对象往往是溪流或者水库大坝的外侧，引渠人造落差也可以；

(3)另外需要考虑山洪的影响，远离山洪威胁地带，从而避免山洪冲击造成的泵站设施损坏。

2 专利技术介绍

变调静态长芯轴赶式脉冲感应泵(专利号ZL200620052411-6)工作应用领域为大小提水调水工程，另外对自来水加压和渠上自流灌溉的适应性良好，在工作时可以自动把低处的流水提到高处。整体构造为：泵腔体和导管以及泵芯座，圈体阀座和自控菇形泵芯阀，空气室以及进出水口、自控进气孔。其关键技术及其特征如下。

(1)进水口及出水口的布局相似，都是呈高低布局模式，通常两个或以上做成一组；竖立管道设立在自控泵芯阀的正下方，该管的功能是储水；在竖立管道的中下部有一个感应仓，该感应仓的内直径一般比竖立管要大，并且组成部分为上下对称的两个部分，一般在感应仓的中部会安装柔性的感应膜。

(2)不耗电不用油,可将低处流水自行提向高处，无转动,无摆动；部件损耗小,使用寿命长,可在近于住户的场所安装使用,本结构设计适用于高扬程提水的高压力作业。可几十年不间断连续作业运行。

(3)流量不限，可大可小，以用户够用为准，扬程不限，流量、扬程与造价、投资成正比。

(4)技术成熟，在多地实施，受到普遍赞誉。节能减排，一次性投入，长期使用受益。

(5)为降低噪音可采用泄水阀水流降噪技术。

这种泵能够被应用于更广泛的领域，如果低处流动的净水流量不足，能够很好的利用污水的动能，同时能够实现两者之间完全的动态隔离。

3 专利技术的推广应用

结合该专利技术要点，计划在慈利县新城区桑木溪村开展应用试点。该村是由原来栗山村和桑木溪村2个自然村合并而成，桑木溪村有6个组属于水源性缺水，600多人一直被饮水问题困扰。

通过实地考察，引进此专利技术进行改水试验。具体测得建设数据：可利用水源落差约43 m，干旱时最低日流量800 m3，据此进行设计制作水锤泵。经计算，在高程208 m选择安装进水管道，在高程165 m处安装水锤泵，将水提到高程400 m处(居民用水保障高程)；设计日最低流量100 m3。

3.1 基本参数

连接水锤泵的进出水管道所需材料：

(1)进水管采用无缝钢管200 m，尺寸为内径100 mm×6 mm；

(2)出水管总长度800 m，其中，从水锤泵开始连接无缝钢管400 m，内径50 mm，其厚度依次为6、5 mm，长度各200 m，然后到出水池采用PE水管400 m。

水锤泵对应的材料尺寸规格：厂家提供的水锤泵(使用寿命30年)，采用内径100 mm、厚10 mm的无缝钢管；其泄水阀、空气罐均采用内径200 mm、厚10 mm无缝钢管。

3.2 水锤泵安装与施工

(1)安装。安装技术要求，进水管不能产生振动，并形成真空管道，尽量充分利用水源最大水头，通过比较最后选择从水源处溶洞内进去30多m处设置进水管道入口。在施工过程中，由于各种因素制约，对进水管全部采用焊接，转角处进行现场切割、焊接，造成焊接处无法保证进水管道内壁光滑。

(2)泵体、泵池施工。①水泵安装在混凝土之上，因为混凝土较为坚固，安装时用地脚螺栓固定；②泵体位置砌泵池以保护水泵；③设置了泵池，泵池预留尾水排放口，排放口和水泵泄水口两者的高度在同一水平线上，一般会保持泵池内的水位与水泵泄水口刚好平衡，这样水泵的效率才能保证最大。

(3)出水调试。①首次调试。安装进水管210 m和出水管400 m(出水口位于扬程约150 m处)，调试水锤泵。水锤泵开启以后，不能工作；观察排水过程，发现进水管有空气，没有形成真空。其处理方法是，在进水管道外面距离水锤泵每间隔20 m加装1个简易排气阀。②二次调试。开启水锤泵，仅运行了2 min，自动停机。观察运行过程，还是进水管中有空气。考虑到进水管上部弯处多、弯急，焊接点多，导致管内部分管壁不光滑，而产生繁杂气体流。其处置方法，在急弯处后部加装竖立式排气管。③三次调试。开启水锤泵，运行了10 h，而且能完全连续自动工作。但是在出水囗测量出水流量时，发现实际出水量远远小于设计要求出水量。经过测量，日出水量仅40 多m3，且出水囗位置还没有到达最高处。经过具体分析，发现出水管压力不足，继续寻找原因。

(4)出水量大小调试与水锤泵试验性改造。①首次改造。通过观察，决定将水锤泵储水管增高1 m，即由原来的0.5 m增加至1.5 m，使储水管的储水量增加2倍。然后开机调试，运行正常，出水量有了明显增加，测得日出水量近90 m3。②再次改造。为了尽可能多的增加提水量，又决定扩大储气罐容量，一是把储气罐长度从1.2 m改为 1.5 m；二是把原来的内径200 mm改为325 mm，增加储气量2.3倍；同时为了增加稳定性，改竖立为横向，以降低储气罐高度和重心；完成所有800 m出水管的连接工程，将出水囗提高到设计高程要求。再继续开机调试，运行全部正常，并测得日出水量145 m3。所有指标均达到设计要求。此水泵采用了泄水阀水流降噪技术，噪音对环境影响小。

4 效益分析

(1)工程预算。经预算仅提水部分工程需投资30 万元，其中，进出水管道材料费及施工费25万元，水锤泵5万元。

(2)效益对比。传统用电抽水前期投资要80万元以上。包括用电抽水需架设高压线2 km、专用变50 kVA、抽水井、水泵房。

(3)经济效益。①节约直接投资50万元。②节约电费，每年10 万kWh，30年共计300万kWh，即300万kWh×0.5 元/kWh=150 万元；③节约人员管理费，1 500 元/人×12月×30 a=54万元；总计节约费用50+150+54=254万元。

5 安装注意事项

(1)在工作过程中，应定期对泵和管道的各部分螺丝进行检查，发现松动，应及时紧固。

(2)停止使用时，出水管口应加盖，以免石块或杂物进入泵内，损坏压水阀和座架等内部机件。

(3)拆卸时，应注意运行后缓冲筒内有高压空气，必须先打开放水螺孔排水和放气，再动手拆卸，以保证安全。

(4)在易冻季节里，水锤泵停止运行时，须将进水管、出水管和缓冲筒内的水放净，以免冻裂设备。

(5)灌溉季节结束后，应对泵、管进行一次油漆防锈，以延长使用寿命。如较长时间不用时，应放净泵中的水，可拆下排水阀涂油保管，压水阀应擦干水分保存干燥通风处，不可接触腐蚀类物品。

(6)拆装泵管时，应专心仔细，使机件和法兰垫圈等不要损坏;拧紧或拧松螺丝时要对称均匀用力。安装时，压水阀和阀座应保证其同心度，不可偏位，以免运转时损坏或影响效率。

(7)经常清理排水池内淤积的泥砂和杂物。

(8)经常巡视和维修渠道、堤坝，防止塌漏。特别是洪水季节尤应防止冲毁建筑物。

(9)安装扬水管路。①一般会在泵的扬水管上安装对应的控制阀门，目的在于控制水泵的启动，另外也能有效避免水泵停止，扬水管中的水会倒流至水泵中；②为了系统今后的维护和修理工作，距离泵体的出口在10 m之内的管道安装时尽量保持水平，保留足够的可移动空间，方便以后的维修拆装作业；③在铺设扬水管路时，要注意扬程，根据1.2～2倍的对应压力等级供水管道来进行铺设。具体举例就是当扬程为150 m时，采用的管材要能够耐受2.0 MPa的压力，也就是20 kg左右的压力。当扬程为240 m，要两个部分选择管材，上半段较小，只需要0.6 MPa，也就是6 kg，下半段要求较高，需要达到3.0 MPa，也就是30 kg的水平；④在设计扬水管时，尽可能选择直管，避免使用弯头或者直角转弯，这样就能最大程度上利用流量的动能而不被阻力损耗；⑤在进行扬水管道的安装时，注意沿线的管道不能下凹，从而避免管道内空气排除不干净而导致扬水量减小；⑥扬水管连接部位不能出现泄露；⑦如果水泵的扬程大于50 m的时候，需要在扬水管路上安装逆止阀或者防回流的装置，这是为了避免在扬水管路同样发生水锤效应，使得水泵损坏，危及人们的生命财产安全。

6 结 语

通过实践应用，改造后的横向储气罐竖立式水锤泵，充分吸收了先进的技术方法，并结合现有水锤泵的优点，创造性地改进了储气罐长度和竖立管高度，扩大储气罐容量并增加了稳定性，同时改进了进水管道密闭性和稳定性问题，保证水锤泵在无接触的状态下工作，这种状态管道之间无磨损，因而具有更高的可靠性，正因如此，在我国70%以上山区以及西部地区可以广泛利用这种经济效益大又安全可靠的高扬程水锤泵。这种无消耗、无污染的设备能够为我国节能减排做出巨大的贡献，正符合我们的环境理念：既要金山银山，更要绿水青山。