停泵與關閥水錘如何消除？如何進行水錘水力分析計算知識分享-乐鱼官网

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  停泵水錘或關閉閥門水錘導致泵房淹沒、輸水管破裂的事故時有發生。常規做法是根據水錘模擬結果對水泵出水閥門進行分階段關閉，以減小停泵水錘，並根據需要，在輸水管道的適當位置設置補水、補氣等設施，以期消除彌合水錘。

水錘及水力計算

1. 水錘計算

在水錘過程的分析與計算中，波速是一個重要的參數。它的大小與管壁材料、厚度、管徑、管道的支撐方式以及水的彈性模量等有關。由水流的連續方程並考慮水體和管壁的彈性模量後，可導出水錘波的傳播速度。

壓力波速度：

（1）

式中 a ——壓力波速度；

g ——水的密度；

g——重力加速度；

K ——水的體積彈性係數，取2.07×109Pa；

E——管子的楊氏彈性模量，取1.6×1011Pa；

D ——管子的直徑；

t——管子的壁厚。

由於管道構造不同，存在有一些差異；但是按照式1計算，不會造成任何大的差異。

如果沿整條管道長度的管子的直徑和壁厚不均勻，那麽對於相同直徑、相同壁厚的各個部分的長度（L 1，L 2，…，L n），分別計算出（a 1，a 2，…，a n）值。然後按照式（2）算出管道全長的平均值：

a=L /Σ(L n/a n)        （2）

由於快速打開或關閥門造成水錘的情況下，使用朱可夫斯基（Joukowsky）公式：

H－H o=－a (V －V o)/g      （3）

式中 H o——穩定流動狀態時的壓力水頭；

Vo——穩定流動狀態時的流速；

H——閥門操作後在某一給定的時刻的水頭；

V ——閥門操作後在某一給定的時刻的流速。

當閥門全部關閉，並且V =0時， H －H o=aV o/g ，是由於水錘現象引起的最大的額外水頭。

慢速開或關閥門而引起的水錘現象的簡易計算法：

（4）

式4以下麵的前提為基礎，即從最初反射波返回到閥門處開始、直到閥門完全關閉為止的這段時間內壓力保持不變，另外閥門的有效開口麵積呈直線性變化，閥門的有效開口麵積計算見式5。式4當中，“+”表示在閥門關閉時刻引起的壓力升高，而“－”表示在閥門打開時刻引起的壓力下降。

n =L V o/( T g H o)        （5）

式中 n ——閥門的有效開口麵積；

Ho——穩定流動狀態時的壓力水頭阿；

Vo——穩定流動狀態時的流速；

L ——管道長度；

T ——閥門關閉或打開的時間；

g——重力加速度。

停泵水錘的簡易計算：這種情況下使用的方法，有基於微分方程式的直接計算法、反複計算法，還有圖解計算法等，計算相當麻煩。為了獲得一個大致的數

字概念，可以使用帕拉馬金（Paramkian）簡易計算圖（見圖1），非常方便。

a）排出管中心處的下降波

b）排出管中心處的上升波

圖1 帕拉馬金簡易計算圖

帕拉馬金（Parmakian）計算圖中橫坐標K (2L /a )可按式6計算：

  (6)

式中 H o——水泵的標準揚程；

Qo ——水泵的標準水容量；

GD2——轉動部件的轉動慣量；

No——水泵的標準（額定）轉數；

L ——管道的長度；

a——壓力波速度；

η o——水泵的標準（額定）效率。

轉動部件的慣性矩主要來自於電動機的GD 2；來自水泵的轉動部件的GD 2隻占約10%。電動機的慣性矩依據其型號和生產廠家的不同而不同。

2. 水力計算

水力計算主要依據考爾布魯克-懷特公式和哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式。

考爾布魯克-懷特（Colebrook-White）公式為：

(7)

式中 K ——管子內部表麵粗糙度的長度測量；

f ——水頭損失係數；

D——管子直徑；

Re——雷諾數。

對於襯有水泥沙漿內襯的球鐵管來說，K 值可以使用0.03；然而在用於設計目的的時候，建議使用0.1，其中考慮到了由於管件、閥門和其他裝置而引起的表麵粗糙度，再加上容差。

哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式為：

式中 V ——流速；

Q——流量；

CH——與管子條件相關的係數；

I——水力梯度（管道單位水頭損失）。

對於襯有水泥沙漿內襯的球鐵管來說，C H值可以使用150；然而，在用於設計目的的時候，建議C H 值使用130，其中包括由於管件、閥門和其他裝置而引起的損失，加上容差。

水錘及水力計算簡析

用本特利公司的Hummer軟件建立某係統水力模型，進行管道係統水力計算，某係統設計供水規模340m³/h，項目主要建設內容包括新建取水構築物及取水泵站1座，新建二級加壓泵站1座，敷設115km原水管道1條。表1為分析得出的輸水管線水壓線分級計算表。

表1 輸水管線水壓線分級計算

通過水力計算，管路中最低壓力線和管路的相對置差，如果差值小於水的汽化壓力（當常溫清水時，近似計算取8m水柱），則可能不會產生水柱分離。管中產生的最高壓力，可近似地用所求的最低壓線以最不利點管道標高為基準對稱繪製。從最高壓力線看，如果最高靜水壓力水頭，小於水泵零流量揚程，則不會出現升壓破壞。

用HAMMER軟件進行水錘計算，通過係統工藝設計采取降低輸水管道流速0.66m/s，適當放大管徑采用DN450；輸水管線采用架空，控製管頂標高，盡量布置平緩線路；泵房出水設置靜音止回閥，可有效地防止和減弱水泵起閉時管線的水錘水擊等措施，模擬計算該係統的最大水錘壓力為0.18MPa，小於本係統的工作壓力1.6MPa。

結語

長輸水工程設計原則首先進行水力計算和繪製水力坡降線，其次應進行水錘分析計算，使殘餘水錘作用小的管道設計壓力小於管道試驗壓力，確保輸水安全。