怀特马达(停泵与关阀水锤如何消除？如何进行水锤水力分析计算)

Posted 2023-05-26

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怀特马达(停泵与关阀水锤如何消除？如何进行水锤水力分析计算)

停泵水锤或关闭阀门水锤导致泵房淹没、输水管破裂的事故时有发生。常规做法是根据水锤模拟结果对水泵出水阀门进行分阶段关闭，以减小停泵水锤，并根据需要，在输水管道的适当位置设置补水、补气等设施，以期消除弥合水锤。

水锤及水力计算

1. 水锤计算

在水锤过程的分析与计算中，波速是一个重要的参数。它的大小与管壁材料、厚度、管径、管道的支撑方式以及水的弹性模量等有关。由水流的连续方程并考虑水体和管壁的弹性模量后，可导出水锤波的传播速度。

压力波速度：

（1）

式中 a ——压力波速度；

g ——水的密度；

g——重力加速度；

K ——水的体积弹性系数，取2.07×109Pa；

E——管子的杨氏弹性模量，取1.6×1011Pa；

D ——管子的直径；

t——管子的壁厚。

由于管道构造不同，存在有一些差异；但是按照式1计算，不会造成任何大的差异。

如果沿整条管道长度的管子的直径和壁厚不均匀，那么对于相同直径、相同壁厚的各个部分的长度（L 1，L 2，…，L n），分别计算出（a 1，a 2，…，a n）值。然后按照式（2）算出管道全长的平均值：

a=L /Σ(L n/a n) （2）

由于快速打开或关阀门造成水锤的情况下，使用朱可夫斯基（Joukowsky）公式：

H－H o=－a (V －V o)/g （3）

式中 H o——稳定流动状态时的压力水头；

Vo——稳定流动状态时的流速；

H——阀门操作后在某一给定的时刻的水头；

V ——阀门操作后在某一给定的时刻的流速。

当阀门全部关闭，并且V =0时， H －H o=aV o/g ，是由于水锤现象引起的最大的额外水头。

慢速开或关阀门而引起的水锤现象的简易计算法：

（4）

式4以下面的前提为基础，即从最初反射波返回到阀门处开始、直到阀门完全关闭为止的这段时间内压力保持不变，另外阀门的有效开口面积呈直线性变化，阀门的有效开口面积计算见式5。式4当中，“+”表示在阀门关闭时刻引起的压力升高，而“－”表示在阀门打开时刻引起的压力下降。

n =L V o/( T g H o) （5）

式中 n ——阀门的有效开口面积；

Ho——稳定流动状态时的压力水头阿；

Vo——稳定流动状态时的流速；

L ——管道长度；

T ——阀门关闭或打开的时间；

g——重力加速度。

停泵水锤的简易计算：这种情况下使用的方法，有基于微分方程式的直接计算法、反复计算法，还有图解计算法等，计算相当麻烦。为了获得一个大致的数

字概念，可以使用帕拉马金（Paramkian）简易计算图（见图1），非常方便。

a）排出管中心处的下降波

b）排出管中心处的上升波

图1 帕拉马金简易计算图

帕拉马金（Parmakian）计算图中横坐标K (2L /a )可按式6计算：

（6）

式中 H o——水泵的标准扬程；

Qo ——水泵的标准水容量；

GD2——转动部件的转动惯量；

No——水泵的标准（额定）转数；

L ——管道的长度；

a——压力波速度；

η o——水泵的标准（额定）效率。

转动部件的惯性矩主要来自于电动机的GD 2；来自水泵的转动部件的GD 2只占约10%。电动机的惯性矩依据其型号和生产厂家的不同而不同。

2. 水力计算

水力计算主要依据考尔布鲁克-怀特公式和哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式。

考尔布鲁克-怀特（Colebrook-White）公式为：

（7）

式中 K ——管子内部表面粗糙度的长度测量；

f ——水头损失系数；

D——管子直径；

Re——雷诺数。

对于衬有水泥沙浆内衬的球铁管来说，K 值可以使用0.03；然而在用于设计目的的时候，建议使用0.1，其中考虑到了由于管件、阀门和其他装置而引起的表面粗糙度，再加上容差。

哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式为：

式中 V ——流速；

Q——流量；

CH——与管子条件相关的系数；

I——水力梯度（管道单位水头损失）。

对于衬有水泥沙浆内衬的球铁管来说，C H值可以使用150；然而，在用于设计目的的时候，建议C H 值使用130，其中包括由于管件、阀门和其他装置而引起的损失，加上容差。

水锤及水力计算简析

用本特利公司的Hummer软件建立某系统水力模型，进行管道系统水力计算，某系统设计供水规模340m³/h，项目主要建设内容包括新建取水构筑物及取水泵站1座，新建二级加压泵站1座，敷设115km原水管道1条。表1为分析得出的输水管线水压线分级计算表。

表1 输水管线水压线分级计算

通过水力计算，管路中最低压力线和管路的相对置差，如果差值小于水的汽化压力（当常温清水时，近似计算取8m水柱），则可能不会产生水柱分离。管中产生的最高压力，可近似地用所求的最低压线以最不利点管道标高为基准对称绘制。从最高压力线看，如果最高静水压力水头，小于水泵零流量扬程，则不会出现升压破坏。

用HAMMER软件进行水锤计算，通过系统工艺设计采取降低输水管道流速0.66m/s，适当放大管径采用DN450；输水管线采用架空，控制管顶标高，尽量布置平缓线路；泵房出水设置静音止回阀，可有效地防止和减弱水泵起闭时管线的水锤水击等措施，模拟计算该系统的最大水锤压力为0.18MPa，小于本系统的工作压力1.6MPa。

结语

长输水工程设计原则首先进行水力计算和绘制水力坡降线，其次应进行水锤分析计算，使残余水锤作用小的管道设计压力小于管道试验压力，确保输水安全。

以上节选自《通用机械》

停泵水锤与水力计算简析

作者：中钢设备有限公司张卫华