泵站水锤的成因及预防

刘海英

摘 要：按水锤成因的外部条件分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤。其中以停泵水锤危害最大，造成的破坏也最为严重。启动水锤常在压水管没充满水而压水阀门开启过快的启动情况下发生的。关阀水锤是关闭阀门过程中发生的水锤现象。停泵水锤是由于泵站工作人员操作失误、外电网事故跳闸以及自然灾害（大风、雷击、地震）等原因，致使水泵机组突然断电而造成开阀停车时，在泵站及管路系统中所发生的水锤现象。根据调查统计，在城市供水及工业企业的给水泵站中，大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。因泵站工作人员操作失误、外电网事故跳闸以及自然灾害造成的停泵水锤事故是泵站中最难以预防的。

关键词：停泵水锤;软停车

目前停泵水锤的主要防护措施有：停泵水锤消除器、缓闭止回阀、调压塔等，这些措施大多是针对水锤发生后的情况处理，而对如何提高水泵机组用电的保障率和从水泵机组运行管理的角度降低停泵水锤强度方面的措施则很少。

1 停泵水锤的预防措施

1.1 工藝措施

采用不同供电线路的多台水泵并联运行。

根据水锤现象的定义：在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替的水力撞击现象。因此，采用不同供电线路的多台水泵并联运行有重大意义：当水泵机组的一路供电线路因故突然停电时，另一路水泵机组不受停电的影响正常运行。从而减弱了压力管道中流速的剧烈变化程度，同时在一定程度上也降低了管路中产生水柱分离和断流空腔的可能性;笔者在实践中发现双泵以上并联运行时，一路电停电的可能性较大，同时两路电都停的可能性很小，因此，采用不同电路的两套水泵机组运行，当一路停电时，另一路的水泵机组仍能正常运行，可有效降低水泵机组因失电造成的管路压强的波动。因此，泵站应尽量避免单泵运行。

1.2 技术措施

水泵机组采用互为备用的双电源系统。采用该方法的原理很简单，简单说就是“一路常用一路备用”是由一个或几个转换开关电器和其他必需的电器组成，用于检测电源电路，并将一个或多个负载电器从一个电源自动转换到另一个电源的电器，是一种性能完善、安全可靠、自动程度高、使用范围广的双电源自动转换开关。

2 应用效果

2.1 不同供电线路多台水泵并联运行效果

北方某市地处平原地带，其水厂泵站共有8台型号相同的水泵机组，分别向两个不同的区域供水，供电系统分别采用两条相互独立的供电线路。每台泵的额定流量1520 m3/h，额定扬程45m，最大供水压力0.50MPa，最大流量4000m3/h，最小流量2000 m3/h，日变化系数1.9，白天开4台水泵，夜间开2台水泵。实验以同一供水区域的水泵机组模拟一路电源突然停电而另一路电源正常运行。实验结果表明，当白天4台泵并联运行时，突然停止一台泵的运行，供水压力由最高供水压力0.5 MPa迅速降低至0.48MPa，降低幅度4%左右;而夜间2台泵运行时，突然停止一台泵的运行，供水压力由0.4MPa降至0.2MPa，降低幅度达50%。由此可见，水泵并联运行台数越多停止其中一台水泵机组运行时的压力与流量的变化幅度越小，由此产生的水锤波强度就越小，水泵所输出的流量与压力迅速补充而达到新的平衡，几乎不产生断流空腔，即使有断流空腔也属于不完全断流型空腔，其危害程度远远小于完全断流型空腔。

2.2 双电源自动切换系统的应用效果分析

在日常生产中，只采用两条供电系统中的一条时，由于泵站工作人员操作失误、外电网事故跳闸以及自然灾害（大风、雷击、地震）等原因，致使整个泵站突然断电的概率较高，但采用双电源自动切换系统后因上述原因造成两条相互独立的供电系统同时停电的概率将大大降低，从而有效地提高了泵站运行及管网的稳定性。

3 启动水锤的预防

启动水锤常在压水管没充满水而压水阀门开启过快的启动情况下发生。由于在管路中存有充满空气的管段，而且水泵的扬程和转速又都是变值，所以启动时，在泵管系统中必然发生非常剧烈的流速变化和强烈的流体撞击，从而造成水锤危害。

3.1 软启动

目前市场上能实现水泵软启动的设备主要是晶闸管电动机软启动器和变频调速器。晶闸管电动机软启动器也被称为可控硅电动机软启动器，它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置，它不仅解决了电动机启动过程中电流冲击和转矩冲击的问题，还可根据应用条件的不同设置其工作状态，有很强的灵活性和适应性。

3.2 变频调速器软启动

变频调速器具有晶闸管电动机软启动器的所有功能。使用变频调速器实现软启动更方便，水泵管路系统运行更稳定，功能更强大。变频调速器软启动时间的设置方法与晶闸管电动机软启动器的基本相同。

4 关阀水锤的预防

通常按正常操作程序关闭阀门是不会引起很大的水锤压力变化的。如果违反操作程序或管道中的阀板突然脱落等情况出现时，泵站将会出现不同程度的水锤，即关阀水锤。关阀水锤带来的危害是泵站及管网压力急骤上升，从而造成管网爆裂、设备损坏等恶性事故。

对于这类水锤，笔者试图从下述方法解决：PID控制器+变频调速器闭环控制。PID控制器是根据PID控制器控制原理对整个系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求相一致。当管网突然出现压力上升的情况时，PID控制器通过给定压力信号于变频调速器，使后者能较快地调整其输出频率，以适应管网压力的变化，使管网压力逐渐趋于稳定。也有的泵站采用在水泵出口处加装安全阀的措施防止管网压力突然上升对泵站造成的破坏。

5 软停车在水锤预防中的作用

软停车根据水泵使用的启动设备的不同，可分为晶闸管电动机软启动器软停车和变频调速器软停车两种。晶闸管电动机软启动器的工作原理是晶闸管在得到停机指令后，从全导通逐渐减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭的过程。变频调速器是通过改变电动机的频率来改变电动机的转速，从而达到软停车的效果。

5.1 软停车的方式

按正常操作程序时的闭闸停车实际上是通过缓慢关闭出水阀门达到逐渐减少出水量、降低管网压力的作用。随着软启动器和变频调速器的使用，在开阀的情况下，通过对软启动器和变频调速器的设置，也可达到闭闸停车的效果。这个过程一般需要多次调整才能符合实际运行的要求。

5.2 软停车的作用

当水泵机组采用软停车的方式时，管网的压力随着电机的转速按照设定的时间成比例下降，因此管中水流速度的梯度变化率比“自由停车”小的多，从而降低了管中压力变化率，减弱水击强度。由于水泵机组采用软停车的方式时，可以采用开阀停车，因此，可以减少操作人员的劳动强度，也可以实现水泵机组的自动化。

5.3 软停车的其他作用

采用开阀启停泵不但在降低水锤强度、减少对电机的冲击方面有着重要的作用，对有效发挥水泵机组出口管路上的液压缓闭止回阀的功能也有积极的作用。

6 结语

①本文所提的水锤预防措施均以主动预防为主，其他水锤的防护措施可参考相关文献;②尽量两台泵以上并联运行，如实际工况采用两台水泵并联运行不经济（或其他原因）而只能单泵运行时，每台泵宜采用双电源自动切换供电系统，以提高供水系统的稳定性，避免因故突然停电时产生停泵水锤，造成不必要的损失。同时双泵及以上并联运行时，每台泵的出口流量与压力尽量接近，以达到最佳的停泵水锤预防的效果;③一般城市供水泵站都有两套以上供电系统，但在实际使用过程中也发现，水泵机组只使用一条线路的居多，另一条线路只是在主线路检修时才启用。因此当泵站供电系统主线路突然停电时，整个泵站就会停运，给水厂造成了很大的负面影响。因此，水泵机组采用双电源自动切换供电系统将大大提高供水系统的稳定性;④采用变频调速器或软启动器启动水泵时，应根据实际情况做好变频调速器或软启动器的其他功能设置，万不可盲目给水泵机组送电，否则会人为造成断流弥合水锤的现象！⑤“闭闸启动、闭闸停车”是传统的启、停离心泵的方式，但随着软启动器和变频调速器在泵站中的普遍使用，笔者在深入研究软启和软停的基础上，提出“开阀启停离心泵”的新方法，该方法已在某水厂泵站得到了成功的应用，同时对泵站实现自动化具有非常现实的意义。