阀门组合解决水锤方案的一般解释

吸呐管道内生产的压力波动
主动。任何时间出现压力波动， 均被及时吸呐
高 结构复杂，维护要求高
此外，缓闭式止回阀的方法，或者双阶段关闭止回阀的方法，主要机理是，将一部分的水分流过去，以减 少水流的速度变化率。理想状况下，如果没有止回阀，返回的水压力则不会受到阻挡，水的压力升高也不会大。 但是实际工况中，水泵往往不能接受这样的冲击；或者通过水泵回流的流量过小，失去保护的意义。在实际运算 当中，则因为其参数的不准确性，在边界条件中的描述与实际可能存在较大的差异，因此，人们除了选择止回阀 以外，也应用一些如空气罐，调压塔等措施，做为弹性体来减缓水锤的效能。
一旦断电后，水泵控制阀为止回阀，一般建议为速闭型止回阀，不等水锤波返回而快速关闭，达到保护水 泵的目的。亦可应需要设计为缓闭止回阀。
请参考以下工程实例： 某工程共设水泵五台，四用一备。该工况为某工程单泵运行关停时，所产生的压力波动。 最高压力包络线与最低压力包络线图如下：
说明： a. 为压力包络线图； b. 标为距离，单位：米； c. 纵坐标为高程，单位：米； d. 黑色粗线为管线走势，较细的黑色粗线
随着空气阀的理论与实实践的不断接合，以及工程技术人员的不懈努力，渐地空气阀的种类得到发展。比 如，大家进一步认为高速排气的定义是值得商榷的。详见空气阀简介部分内容：只要空气阀设计合理，其高压微 量排气部分的排气在正常工作压力下均是趋近于声速的。但是微量排气部分主要针对于管道中出现少量析出气体 设计，而与系统危险工况出现的大量进排气无关。相反地，如果低压进排气部分进出量过快，便会出现上述与“非 常水锤”相似的特点，这在系统当中应是极力避免的。因此出现了两级排气，三级排气等理论支持的空气阀。其 主要原理为：大量排放气体时，应缓慢而顺畅，如，空管充气时，缓慢有效地排气，而不是急速地排气；大量进 气时则应及时快速地进气，以防止管道系统中出现真空负压的工况。
大的供水工程所采用。各项措施应当目标单一而明确。在国外很少只用一台缓闭止回阀来消除水锤，分工明确的 方案为常用的方式：保护泵站的措施；保护次高点的措施；保护终端阀门的措施；保护某一段或某一点的措施等。
在解决方案上根据投资以及现场特点一般有设备化解决方案和设施化方案。设施化方案比如单向水池，调压 塔等，其特点是：传统，稳定。而设备化方案则为现代广泛地采纳，并且越来越多地应用于欧美国家，主要原因 是占地省，节约投资，供应商实力雄厚，技术安全性有保障。
为供水压力线； e. 深色区域表示管线中最大压力包络线
与最低压力包络线包络的压力区； f. Mx P 为最大相对压力，单位：米； g. Mn P 为最小相对压力，单位：米； h. Normal P 为正常供水压力，单位：米；
i. Elv. 为管线绝对标高，单位：米。
如图可以看到，在单台泵运转并
关停时，管线局部有较高的压力波动，最高压力点可达 319 米水柱，并主要以正压水锤为主。出现如此高的压力
调压塔
一般根据水锤计算
设定值为水塔液面，一般根 据水泵扬程设定
占地大 工作量大 自行控制
利用水塔自身恒压，稳定管 道系统中的压力波动 主动。及时稳定压力波动
高 高位水池，结构简单，维ห้องสมุดไป่ตู้ 工作量大
空气压力罐
依据水泵房的水锤计算
无设定值，但压力罐压力等级以 及罐体容积应由水锤计算确定
占地大 工作量大 有隔膜式等数种规格
波动必须考虑增加保护措施。
同时停泵时压力随时间变化曲线如下图：
说明： a. 标为时间，单位：秒； b. 纵坐标为时间，单位：米水柱。
压力波动明显，会伴有一定的振动和噪 声，系统应增加保护措施。
为保护单泵运转管线系统的安全，在水 泵后设置水泵控制阀，在水泵关停之前 60 秒钟先自行缓慢关阀。
最高压力包络线与最低压力包络线图 如下：
案的应用便可以得到满意的结果，但是有的时候，不得不依靠两三种解决方案的结合，才能够达到安全运行的最 终目标。如上例中，三级空气阀的应用使得压力波动下降明显，但似乎依然不能够使系统达到理论上满意值：其 压力升高依然为正常运行工况下压力的两倍。而且工程所考察的点正是水泵站处。就这个实例而言，在水泵站处 设一台三级空气阀的做法是不够完美的。应该考虑其它方法的加入。
阀门组合解决水锤方案的一般解释
一．相关解释：
作者：黄晖 邮箱：nonojohn@163.com
水锤的定义，参照国内成熟的理论：在压力管道中因流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交 替变化的水利撞击现象称为水锤现象。此时液体显示出它的惯性和可压缩性。
需要指明的是因流速的变化而产生的压力变化，其传递形式是以机械波的形式传递的。可以形象比喻为管道 中的“海啸”。
从解决水锤的角度上讲，便是：一旦出现负压工况，空气阀大量进气以防止管道出现危险的负压，而当压 力波返回，压力升高时，空气阀排气变得缓慢，以延长排气时间，延缓“水柱弥合”过程，从而有效地减弱水锤。
这些理论支持的空气阀最重要的特点是：有完美的可供输入水锤分析软件，作为边界条件进行计算数据。 在理论上有很强的指导性，在实践当中有良好的表现与实例。
(米水柱)。此工况下，压力升高现象明显，压力波动大
下降。压力波动较小
通过对比，应用三级空气阀的工况有较为显著的改善。压力波动较小。实践也证明在某些工况下，这种类
型的空气阀则代替单向进水罐，空气罐以及调压塔等设施的简单工具。那么它的优势不言而喻。
2． 压力波动预止阀的应用： 水锤解决方案一定是综合的方案。是一个需要全面考虑的问题，没有道理进行简化分析。有的时候，一种方
三．解决方案简单比较：
项目
选型依据 设定值确定
占地 维护 选择 运行特点 防水锤性质
一次投资 产品特点
压力波动预止阀
依据水泵房的水锤计算，以及整个输水管线的水 力学分析 z 计算机程序初设 z 模拟水锤试验台设定 z 现场根据实际工况微调 省 工作量小 有液控与电磁控制两种，依据实际工况与水锤电 算程序确定 阀门有低压设定值和高压设定值，在两设定值范 围外，阀门均打开 主动。一旦管道中压力生产波动，在尚未形成破 坏的压力波冲击前，阀门已经打开，能过释放与 引导将水锤波消除。阀门开启时间可控。 低 z 宽体抗汽蚀结构，寿命长，噪声小，振动小 z 特为高流量设计，运行稳定
四．阀门解决方案： 实际应用当中，阀门做为主要的解决方法，因其经济性以及先进性，越来越多地应用于实际工况的解决方
案。 1． 空气阀在水锤解决上的应用：
空气阀在水锤应用上的争论越来越明朗化。以往的认识当中，由于空气进出空气阀的速度很快，其进出气 量在水锤当中并不起到什么积极的作用，而所产生的水锤与无空气阀所出现的“非常水锤”特点十分相似，因此 空气阀的应用被认为有一定风险的方法。
机械波的特点：机械波的传递是需要质点做为媒介的。各质点仅在它们各自的平衡位置附近振动，并没有在 波动传播方向流动或继续前进。即波动是运动状态的传播过程而不是运动质点的流动。
水锤的约克夫斯基公式：∆H=∆V*C/g 其中：∆H ∆H 表示压力升高 ∆V 表示水流速度的变化率 C 表示水锤波的波速 g 表示重力加速度 上述公式基本上解释了水锤，即压力波，产生的原因 和影响其大小的因素。 水流速度的突然变化，即是产生水锤的根本原因。只 要水的流速发生变化，系统压力必然发生变化。 水锤的大小与水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大，在同样水流速度变化的工况下，水锤就愈大，即压力 变化也愈大。水锤波在系统起到很重要的作用。在理论的情况下，机械波(此时即压力波)在水中传递的速度为 1450m/s。在实际当中，该波速要小于理论值，它与管道的弹性有关系，管道弹性越强波速则越小。在钢管中一 般为 800~1200m/s，在砼管中一般为 600~800m/s，在塑料管中则为 300~500m/s。管径越大，波速则越慢。管壁 越厚，刚性越强，波速就越快，反之则波速越慢。 根据上述的理论公式，我们可以简洁地得到如下的结论： 减缓水在系统中的流速变化，降低机械波的传递速度。系统中因事故工况而产生的压力变化就会减弱，水锤 就可以得到控制。 停泵水锤的特点：在供水系统中，工程人员常遇到的水锤工况是所谓“停泵水锤”。可能出现的工况为：
如果，在开始的压力下降中，压力下降至负 10 米左右时，水会出现冷沸的现象。在实际当中，我们看似水 断流了，水柱被拉断。当压力波返回时，该管段处的水由气迅速转变成液态水，压力会集聚升高，便是常说的水 柱弥合现象。这样的水锤在实际当中破坏性大，被称为“非常水锤”。
二．水锤的解决方案： 关于水锤的物化解决方案，一般常见的有： z 空气压力罐 z 单向补给水箱 z 调压塔 z 压力波动预止阀 z 空气阀 所有解决方案均相应地对某种特殊的水锤工况能够较为良好地适应。应当指出的是，综合的解决方案多为重
i. Elv. 为管线绝对标高，单位：米。 压力波动情况十分理想，趋于零波
动。
关泵过程（先关阀后关泵）时的流量
与时间变化曲线如下：
说明： a. 压力包络线图；
b. 为距离，单位：米； c. 纵坐标为高程，单位：米； d. 黑色粗线为管线走势，较细的黑色粗线为供水压力线； e. 深色区域表示管线中最大压力包络线与最低压力包络线包络的压力区； f. Mx P 为最大相对压力，单位：米； g. Mn P 为最小相对压力，单位：米； h. Normal P 为正常供水压力，单位：米；
z 试运行时，单泵运行关停水泵引起压力波动； z 正常运行时，人为事故停泵，单泵或多泵。 z 系统突然掉电。
由于水泵的突然关停，水泵之后的管道内，会出现压力下降。水锤波会快速向水流相同的方向传递。到达 终点后(或终点阀门，或者水池，或者管网)水锤波会返回，返回的压力波会使水泵后管道的压力升高。压力波遇 到止回阀的阻挡后，会继续返回，在管道中进行阻尼震荡，慢慢平稳在静水压线上。
上述空气阀的工作原理详见空气阀的介绍。 三级空气阀在水锤分析中的比较：
常规空气阀应用，管道内空气体积随时间变化图：横坐标为时间(秒)； 三级空气阀应用，管道内空气体积存在时间加长约 7 秒钟，真空振荡
纵坐标为管道内空气体积(m3)
减少
常规空气阀应用压力波动图：横坐标为时间(秒)；纵坐标为某点压力值 三级空气阀应用后，由于延长了空气体积弥合时间，压力波动有明显
在上例中，我们增加了压力波动预止阀之后。我们得到的压力波动曲线如下图：
压力波动随时间变化图，压力波动量微小，实际运行可视为安全
压力波动预止阀排水量与时间的关系，可以指导性地计算出阀门总排 水量
3．水泵控制阀： 在某些工况下，由于一台水泵开停，或者因水泵站水泵常开停、频繁切换等工况而产生压力波动时，或水
压力波动预止阀，是一种在正常工作情下保持常闭，而在事故工况时打开的事故型阀门。工作原理是，让 返回的水锤波顺畅地没有阻挡地排放，以至消除水锤。该种阀门的最主要特点是在管道内首次出现压力下降时便
会打开。从水锤的基本原理上，等于返回的水不再被止回阀止住而产生破坏，相当于返回的水能够顺利得以泄放。 使得水流速变化率极小，压力波动因此不会很大。
这与在高压出现时打开的安全阀不同，能够保证及时泄压。而安全阀则是当压力超过设定值时打开，但是 往往因为在水锤高峰值到来时的速度太快，时间太短，安全阀没有足够的时间打开，因此安全阀的效果难以保证。 关于阀门的详细介绍，见阀门说明。
压力波动预止阀在一定意义上取代了调压塔等安全措施，同时其也具有供水锤计算应用为边界条件的准确 参数，因此直接可以从计算软件中计算得出。在阀门选择中，不采用选择大口径则偏安全的习惯，以防止阀门因 选择过大而关闭不上，泄空管线等事故。
泵站运行自动化程度较高时，在水泵之后建议选择水泵控制阀。该种阀门一般与水泵进行开启和关闭的过程控制， 由 PLC 或专用水泵控制阀专供的控制盒完成。在水泵开启时，阀门缓开起到背压启动的目的，使得水泵启动安 全。甚至可以调节阀门开启的设定压力，如规定阀门在 3bar 时打开等。在水泵关闭时，可以实现“主动关闭”， 即阀门先行关闭，至完全关闭或者关闭至 97%等设定点时，水泵开始关闭，减小流速的变化率，阻止水锤的发生。 所以水泵控制阀可以解决由于关泵不当而产生的水锤。