矿井排水中水锤现象分析计算及解决办法

矿井排水中水锤现象分析计算及解决办法

【摘要】水锤现象在矿井排水中十分常见，如果不及时防治，会对排水管路造成很严重的破坏，致使管道变形、破裂、泄水，给矿井安全带来隐患和威胁。文章分析了水锤的成因及计算方法，提出了几点解决方案。

【关键词】停泵水锤；成因；特点；危害；计算；防治

1.水锤的成因及危害

液体流经管路时具有动能，当液体突然停止时，它的运动量必须被消除，能量变成由停止点开始的高压波，它以接近于声速的速度沿着管路系统来回传递。排水管内液体膨胀并撞击管路，有时震裂管路，伴随着很大的声音，在很短的时间内，流体原来的能量消耗在摩擦和涡流上，但是管路系统却经常在这一时间受到破坏。

水锤是如何产生的？在操作中开关闸阀，启停水泵都会造成水流速度发生急剧变化而产生水力冲击，形成水锤，另外运行中的水泵动力突然中断停泵也会造成水锤现象，尤其在泵组排水能力大、地形起伏高差大、输水管线长或用户要求较高的工作压力的情况下，一旦操作失误或电网跳闸等，就会造成水泵机组突然断电而停泵，这时产生的水锤称为停泵水锤。在所发生的水锤中，以停泵水锤造成的危害为最大，一般可以达到正常压力的一到四倍甚至更大，致使管路破裂而大量泄水，淹没泵房和设备。

2.停泵水锤的计算原理

停泵水锤的计算有多种方法：图解法、数解法和电算法。其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。

运动方程式为：

连续方程式为：

式中：H ——管中某点的水头

V——管内流速

a——水锤波传播速度

x——管路中某点坐标

g——重力加速度

t——时间

f——管路摩阻系数

D——管径

通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程：

H-H0=F（t-x/a）+F（t+x/a）（3）

V-V0=g/a×F（t-x/a）-g/a×F（t+x/a）（4）

式中：F（t-x/a）——直接波

F（t+x/a）——反射波

在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴（H，V）中的表现形式为射线，即特征线。它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。为了方便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式：

F1=PM-BQv+Hn（β2+v2）（A0+A1x）-ΔH0v2/（τ2）=0

F2=（β2+v2）（B0+B1x）+m0-C3（β0-β）=0

式中β——N/Nn（实际转速/额定转速）

v——Q/Qn（实际流量/额定流量）

通过上述两式的联立，采用牛顿—莱福生迭代公式，可以解出v和β的近似数值。

将水泵的全面性能曲线改造为仅与转速和流速有关的全面性能曲线，以便计算机在解方程时取值，即：

WH（x）=h/（β2+v2）（7）

WM（x）=m/（β2+v2）（8）

式中：h——H/Hn（实际扬程/额定扬程）

m——M/Mn（实际转矩/额定转矩）

现行的水锤计算方法就是基于上述原理。

3.几种边界条件下水锤工况的模拟结果

根据我国南方某城市取水泵房的水泵及输水管线的实际情况，采用计算机程序模拟水锤情况如下（均按最低枯水位计算）：

基本情况：

水泵机组：

Qn=5 000 m3/h，Hn=55 m，Nn=741 r/min，Ns=132.4，GD2=874.7 kg.m2，Mn=932.72 kg.m，近期单台运行，远期两台运行。

输水管线：DN=1 400 mm，L=5 750 m，几何扬程：35 m（近期），45 m（远期）。

3.1 假设为有阀管路停泵水锤

①普通止回阀

两台水泵并联运行时，泵出口处最大压力值1 536 kPa （156.7 m），当加大水泵机组转动惯量适当的倍数时，泵出口处最大压力值830 kPa （84.68 m）；一台水泵运行泵出口处最大压力值892 kPa （91.05 m），当加大水泵机组转动惯量适当的倍数时，泵出口处最大压力值617 kPa （63.0 m）。

以上数据为假设水泵出口处的流速为零时阀门即刻关闭所产生的水锤压力值。实际工况中，阀门关闭总要一段时间，因此实际水锤值将与表中所列数据有出入。根据计算机模拟结果，如果在此条件下适当增加水泵机组的转动惯量可以将水锤压力值明显降低。

②缓闭止回阀

经过计算机模拟，当关阀时间和快慢组合与最佳模拟条件不同时，泵前最大压力值都将有所增加。因此一个装有两阶段关闭阀门的输水系统，其阀门的操作过程应经过计算确定，并应在试运行中调整。此种设备定货时应向制造厂提出具体的技术要求（快、慢关闭时间及可调性）。

③管路发生断流停泵水锤（即弥合水锤）

此泵房出水管在穿越大堤处（距泵出口40 m）形成了驼峰，经计算，此处将发生弥合水锤。实际观测与计算机模拟的结果相近，计算机模拟结果如表1所示。

从表1得知，当管路中发生断流的停泵水锤（即弥合水锤）时，水锤值很大，达到几何扬程的4倍以上，必须引起高度重视。

3.2结论性意见

停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关，当几何扬程≥30 m，其各种工况下的最大水锤压力值（Hmax）与几何扬程（Ho）的比值，水泵最大逆转转速βmax与额定转速βn的比值分别列入表2。