大型集中空調循環(huán)水系統停泵水錘成因分析及防護

第23卷第5期中原工學(xué)院學(xué)報Vol. 23 No. 52012年10月JOURNAL 0F ZHONGYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYOct. ,2012文章編號:1671- 6906(2012)05 - 0042- -04大型集中空調循環(huán)水系統停泵水錘成因分析及防護周義德，劉磊，高龍，楊瑞梁(中原工學(xué)院,鄭州450007)摘要:從停泵時(shí)回水和供水對水泵及止回閥造成的壓力脈沖角度,分析了空調循環(huán)系統水錘產(chǎn)生的過(guò)程和原因，指出了大型空調水系統水錘的嚴重危害,給出了水錘壓力估算的基本方法,并從設計和運行等方面介紹了防治和消除水錘現象的措施.關(guān)鍵詞:空調循環(huán)水系統;停泵水錘;水錘壓力;防治中圖分類(lèi)號: TV13文獻標志碼: ADO1:10. 3969/j. issn. 1671 - 6906. 2012. 05. 010水錘現象研究歷來(lái)已久，現有成果大多集中在水換,從而在管路中產(chǎn)生一.系列急驟的壓力交替變化的錘現象明顯、破壞力巨大的電站循環(huán)水輸送系統、提灌水力撞擊現象C3-41.造成的結果,輕則管道系統振動(dòng)，泵站等高揚程供水領(lǐng)域1-2],而隨著(zhù)集中空調系統在影響管道系統壽命,重則水管破裂,釀成泵房淹毀,造民用建筑中應用的普及,水錘現象在空調水系統調試成設備損壞,甚至造成操作人員傷亡等,特別是對于大及運行中時(shí)有發(fā)生，甚至造成相當大的“水崩”事故.一型空調水系統,該問(wèn)題不可等閑視之.般來(lái)講,空調系統越大,樓層越高,對水錘問(wèn)題的設計根據實(shí)際工程經(jīng)驗,大型空調循環(huán)水系統水錘發(fā)考慮及操作不善造成的后果就會(huì )越嚴重,而目前學(xué)者生時(shí)，系統中產(chǎn)生高于平時(shí)工作壓力幾倍至幾十倍的和設計部門(mén)很多人員對這個(gè)問(wèn)題尚沒(méi)有足夠的重視.脈 沖壓力,系統管道產(chǎn)生劇烈的上下前后振動(dòng),并伴有本文將對大型集中空調水系統水錘的發(fā)生及危害、水.來(lái)自系統遠方的沉悶的管道振動(dòng)噪聲.如果不能及時(shí)錘產(chǎn)生的原因以及水錘產(chǎn)生壓力波的大小進(jìn)行分析，采取措施,連續振動(dòng)幾次后,在水泵和制冷機進(jìn)口處的并就如何消除空調水系統中水錘的影響，提出合理化軟接就會(huì )很容易因為劇烈的撕扯而破裂,大量的高壓建議.水柱就會(huì )傾瀉而出,造成電機和設備進(jìn)水或被淹,應力集中時(shí)可能振裂制冷機管道接口,設備產(chǎn)生位置移動(dòng)，1空調水系統水錘的產(chǎn)生及危害甚至出現人身傷亡,后果十分嚴重.水錘是流體流動(dòng)特性的瞬變過(guò)程,它是流體的一2空調循環(huán)水系統停泵水錘產(chǎn)生的種非穩定流動(dòng)，也稱(chēng)壓力脈沖,即在壓力管道中,當水原因分析流因某種原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時(shí),由于流體的慣性作用而引起管道內液體的壓力急劇升高或降低.水錘現象的延續時(shí)間雖然極其短暫，但它會(huì )造成嚴重在大型空調水系統中,水錘現象產(chǎn)生的原因十分的工程事故，如因事故停泵在給水管路上產(chǎn)生水柱分復雜.按水錘形成的外部條件,水錘現象可分為啟泵水離和斷流彌合水錘，則其破壞性更為嚴重.在輸水管錘現象、停泵水錘現象和關(guān)閥水錘現象,其中以停泵水道中，因某種原因,如發(fā)生事故停泵、閥門(mén)快速關(guān)閉等，錘的危害最為嚴重.本文將以空調冷卻循環(huán)水系統水使得壓力管道中流體速度發(fā)生劇烈變化,引起動(dòng)量轉錘為例對水錘產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析.中國煤化工收稿日期:2012 -07-14MHCNMHG作者簡(jiǎn)介:周義德(1957-).男,河南南陽(yáng)人,教授..第5期周義德，等:大型集中空調循環(huán)水系統停泵水錘成因分析及防護2.1 水錘產(chǎn)生的過(guò)程2.2.2系統靜 壓水位高在大型集中空調系統運行中,由于空調泵站工作系統靜壓水位越高，回水管儲存的能量就越大.一人員操作不當、突然停電、外電網(wǎng)事故跳閘或其他原因旦水泵突然停止運轉,回水管內的水流不會(huì )立即停止，導致水泵機組突然斷電而停機,此時(shí)在泵站及管路系在高靜壓水位的作用下,產(chǎn)生的水力沖擊就越大.在系統中最容易發(fā)生的一種水錘現象,稱(chēng)之為停泵水錘.如統靜壓水位高于20m時(shí),應該注意這個(gè)問(wèn)題.圖1所示，當水泵緊急關(guān)閉時(shí),水泵的慣性制動(dòng)快于系2.2.3采用 單側離心泵統中水流的減速,系統較大時(shí),大量高速的水流由于慣由于單側離心泵葉輪的結構特點(diǎn),停泵時(shí),葉輪在性繼續在管道內流動(dòng),而在瞬間停滯的水泵葉片端面失去動(dòng)力的情況下快速停止，此時(shí)大量的水流無(wú)法順處受阻,在點(diǎn)2處產(chǎn)生的高壓如果不能及時(shí)釋放,將形利通過(guò)葉輪流向前方,葉輪對水流產(chǎn)生巨大的阻力,容成巨大的水力沖擊,其結果是像海浪碰到海岸一樣產(chǎn)易在葉輪的端面處產(chǎn)生較大的軸向水流推力而無(wú)法消生回流,造成葉輪進(jìn)水,點(diǎn)2處形成高負壓,此時(shí)自點(diǎn)除.其結果是形成反向回流,在葉輪端面產(chǎn)生負壓,回3始循環(huán)水出水快速回流，使得泵出口止回閥迅速關(guān)流一段時(shí)間后,水流又返回葉輪端面處形成巨大的推閉;當點(diǎn)2處的回流沖擊一-段距離后,又會(huì )在重力的作力,如此反復,造成較強的水力脈沖.而軸流泵或雙吸用下沖回葉輪端面,透過(guò)葉輪縫隙沖向水泵出口,將止泵由于葉輪的安裝結構特點(diǎn),停泵后葉輪對水流的阻回閥再次頂開(kāi),并因動(dòng)能的抵消和撞擊反彈再次產(chǎn)生力小，水流不易在葉輪端面處產(chǎn)生較大的水力沖擊,不回流，與此同時(shí),循環(huán)水出水在回流撞擊至止回閥閥板會(huì )產(chǎn)生初始的大振幅水力沖擊,就不易形成較大的水后也會(huì )再次改變流向,向供水方向沖擊.如此反復進(jìn)行力脈沖,系統產(chǎn)生水錘的可能性就小.脈沖,在止回閥兩側產(chǎn)生劇烈震蕩,造成止回閥反復開(kāi)2.2.4水泵吸水管道阻力 小停,形成嚴重的水錘現象.冷卻水系統阻力越小，停泵時(shí)產(chǎn)生水錘的可能性_●就越大,因為較小的系統管道阻力無(wú)法吸收停泵時(shí)產(chǎn)生的水力脈沖.在靜壓水位較高時(shí),系統中安裝大阻力的回水過(guò)濾器、換熱器等裝置以及管道的彎曲等,都對制冷機組減弱水錘有一-定的幫助.旁通泄壓止回閥2.2.5 系統管道設計安裝不合理它系統管道安裝位置設計不合理,較長(cháng)的管道安裝固定不牢固等,造成水力沖擊無(wú)法在管道內消除,從而很容易傳到整個(gè)管道系統而造成震動(dòng).管道系統的自振頻率和產(chǎn)生水錘時(shí)的水力沖擊頻率接近,是系統發(fā)圖l空調水系統示意圖生嚴重水錘現象的原因之一，而系統的自振頻率和管由以上分析可以看出,停泵時(shí),大型集中空調循環(huán)道系統的安裝固定方法密切相關(guān).水系統水錘的產(chǎn)生與高揚程輸送系統[|-日不同,前者根據上述分析,由于產(chǎn)生水力脈沖需要空間,開(kāi)式是由供水和回水在水泵葉輪和止回閥上的共同作用引系統提供了這方面的條件;而閉式系統由于水流一.直充起的,后者與供水的高速慣性回流撞擊止回閥有關(guān).滿(mǎn)系統,兼之水的不可壓縮性,造成沖擊波的振幅會(huì )相對較小.因此,開(kāi)式系統比閉式系統更容易產(chǎn)生水錘.2.2水錘產(chǎn)生的原 因停泵產(chǎn)生水錘的原因有以下幾個(gè)方面.3水錘產(chǎn)生的壓力分析2.2.1回水管道直徑大,存水量多回水管直徑設計過(guò)大,造成管內儲存水量大,停泵綜合上述分析可知,停泵時(shí)在水泵葉輪上產(chǎn)生的時(shí)積聚的能量就大,造成的沖擊就越嚴重.因此,回水管巨大壓力是水錘產(chǎn)生的最直接原因.分析計算水錘產(chǎn)道也不是越大越好,應以確保重力流速合適進(jìn)行設計為生的壓力的土少對加咨葉胡并問(wèn)曬的研究和對大型中國煤化工好,一般水泵回水管流速設計為1.0~1.2 m/s.空調水系鄉，進(jìn)而在設計中采TYHCNMHG.中原工學(xué)院學(xué)報2012年第23 卷取必要的防水錘措施,具有重要意義.3.3水錘壓力計算 舉例3.1 水錘的傳播速度例如,某工程地下室水泵距屋頂冷卻塔幾何高度在均質(zhì)管道輸送清水,且不考慮水中所含空氣情為51 m,水泵吸水管道運行阻力損失為2 mH2O,水況下,水錘傳播速度a按下式計算[5]:泵吸水管流速為1. 2 m/s, 水泵吸水管管徑為1 425DN250 mm，系統工作壓力為65 mH2O.發(fā)生水錘時(shí)，T+ (Eo/E)(D/8)C”(1)止回閥如果在管道水流倒流后關(guān)閉，則計算出在系統式中:E。-水的彈性系數,取2.025X10* kg/m2;中產(chǎn)生的水錘壓力值為722 mH2O,是平時(shí)工作壓力E-管壁材料的彈性系數,對于鋼管,E=2.06X的11倍,危害極大.10l0 kg/m2 ;8-管壁厚度(m);4停泵水錘的防護措施D-管道內徑(m);Ci-不同壁厚、不同支承方式的系數.停泵水錘的防護措施有多種，根據工程實(shí)際情況，對于薄壁管道(D/8>25),當管道只在上游端固概括起來(lái)可分為如下幾個(gè)方面:定時(shí):4.1泄壓降錘C = 1-μ/2(2)泄壓降錘主要是通過(guò)管道的泄壓設施降低停泵時(shí)式中:μ為管壁材料的泊松比,對于鋼材，μ取0.3.產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力脈沖.其方法有如下幾種["].3.2水錘產(chǎn)生 的壓力估算4.1.1瞬時(shí)泄壓水錘壓力的估算值如下[6]:在水泵人口及止回閥出口處安裝旁通管,并在旁(1)當兩水柱再彌合時(shí)即出現水柱沖擊,其壓力升通管上安裝旁通泄壓止回閥(見(jiàn)圖1).停泵時(shí),水泵出高值按下式估算:口止回閥關(guān)閉,由于水流的慣性，管道內壓力急劇上△H = aQv/g(3)升,旁通泄壓止回閥迅速打開(kāi),水泵被短路，管道內水式中:Ov=v-v,0I為水柱彌合前的運動(dòng)速度,U2為流由于慣性通過(guò)旁通泄壓止回閥繼續在管道內循環(huán)流水柱彌合后的運動(dòng)速度.動(dòng)，起到降壓、消除水錘的作用.(2)當水泵出口設有止回閥,并在止回閥后水柱再4.1.2泄水降壓彌合時(shí),其壓力升高值按下式估算:△H = av/g(4)通過(guò)泄水降壓的方法可以避免系統壓，力迅速上式中:U為水柱沖擊閥門(mén)或止回閥時(shí)的速度(m/s).估升.屬于這種類(lèi)型的設備有壓力泄壓閥、緩閉止回閥和水錘消除器等.算如下:(1)壓力泄壓閥的工作原理與安全閥相似,可預先如果在管道水流開(kāi)始倒流時(shí)止回閥關(guān)閉，則v=設定一定的壓力值,當管道系統內壓力超過(guò)設定值時(shí)，vo(管道初始流速);如果在管道水流倒流后止回閥關(guān)閉，則o可按下閥門(mén)就會(huì )迅速開(kāi)啟,釋放超出預定壓力值的壓力;當管道系統內壓力低于設定壓力值時(shí),閥門(mén)自行關(guān)閉,起到式估算:泄水降壓消除水錘的效果;H。+9(5)(2)緩閉止回閥.緩閉止回閥是只能單向開(kāi)啟的閥門(mén)，它通過(guò)閥門(mén)緩閉的方式來(lái)消除水錘.其形式有旁通式中: H.-出水池水面到止回閥門(mén)處的幾何高度式、上阻式、側阻式等.該閥根據需要在一定范圍內對(m);閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調整.在停電后3~7 s內閥門(mén)關(guān)閉ZOh,-出水池水面到止回閥門(mén)處管道正常運行70%~80%,剩余20%~30%的關(guān)閉時(shí)間根據水泵和時(shí)的水頭損失(m).管路調節,常在10~30 s范圍內;水錘現象產(chǎn)生的壓力變化主要取決于管內流速的(3)停泵水錘消除裝置.該水錘消除裝置能在無(wú)需變化程度.停泵時(shí),止回閥迅速關(guān)閉，管道內流速急劇阻止流體流中國煤化工各類(lèi)流體在傳輸變化,這時(shí)產(chǎn)生的壓力可達到正常工作壓力的很多倍，系統可能產(chǎn)MHCNMH G的不規則水擊波其破壞程度較為嚴重.震蕩，從而達到消除具有破壞性的沖擊波,起到保護系.第5期周義德,等:大型集中空調循環(huán)水系統停泵水錘成因分析及防護●45●統的目的..并聯(lián)運行時(shí),對其中一臺變頻即可.4.1.3氣壓罐定壓4.3其 他措施此方法在國內使用不多,在國外使用較為廣泛它(1)核算水錘壓力,正確選擇管道配件的工作壓利用氣體體積與壓力關(guān)系的特定定律工作.隨著(zhù)管路力,以免在誤操作或者其他故障引起嚴重水錘時(shí)造成中的壓力變化,氣壓罐向管道補水或吸收管路中的過(guò)“水崩”危害;高壓力,其作用和定壓罐類(lèi)似.(2)在系統換季首次沖水運行前,應確保排除管網(wǎng)4.2 減速降錘系統中的空氣,特別是泵站內局部最高點(diǎn)的空氣,以防止運行及停泵時(shí)由于氣體壓縮引起的水錘現象[°];4.2.1增加水泵慣量(3)增強管道支架的緊固程度,加大支架密度,適水泵增加飛輪,會(huì )增大泵回轉部分的慣性效應.選當提高管道壁厚,以降低共振效應,應付水流沖擊對管用轉動(dòng)慣量大的電動(dòng)機，使水泵葉輪延長(cháng)慣性運轉時(shí)網(wǎng)造成的危害.間而逐步減速，從而使系統中的水流逐步降速，減少水(4)建立科學(xué)合理的開(kāi)停機運行管理制度,嚴格按流對葉輪和止回閥的沖擊,可有效消除停泵時(shí)的水錘照程序操作.開(kāi)停機時(shí)至少2人在場(chǎng)，互相配合，互相現象.但這種方法需要-定的條件.監督,確保無(wú)差錯.4.2.2順序關(guān)閥停泵對多臺同時(shí)運轉的水泵,應順序停泵,每臺水泵的5結語(yǔ)停止間隔時(shí)間應不小于5 min. 停止最后一臺水泵時(shí)，應逐漸關(guān)小閥門(mén),關(guān)閥時(shí)間可根據運行經(jīng)驗確定,一般大型空調循環(huán)水系統停泵時(shí)產(chǎn)生的水錘具有較應不小于3 min;有條件時(shí)不要關(guān)閉并聯(lián)的其他水泵大的破壞性.為了有效地避免水錘事故的發(fā)生，系統閥門(mén),以增加泄壓通道.單級對單泵系統運行時(shí)更應注設計人員應充分了解停泵時(shí)水錘產(chǎn)生的原因及危害，意這種情況.在設計時(shí)應對水錘壓力進(jìn)行計算與分析,選擇合理的4.2.3變頻停泵承壓管路配件,壓力較大時(shí)采取必要的防護措施.運為克服突然停泵時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力,可對水泵采行管理人員在系統運行過(guò)程中,應嚴格按照操作規程取變頻措施,停泵時(shí)逐漸降低轉速,從而降低水流的慣操作.管理,維護相關(guān)安全保護設施,以防止水錘現象性沖擊力,這樣可以有效地消除水錘的影響.多臺水泵的發(fā)生.參考文獻:1] 顧贊.大型串聯(lián)增壓泵站的水錘分析及防護措施研究[J].給水排水，2010(8):50-52.[2] 方永旗;高揚程提灌泵站水錘分析及防護措施[J].中國農村水利水電，201011);141-143.[3] ChunM H, YuSO. A Parametric Study and a Guide Chart to Avoid Condensation induced Water Hammer in a HorizontalPipe[]. Nuclear Engineering and Design.200.0 201 ( 2, 3): 239-257.[4] 楊晉明.空調冷卻水系統停泵水錘暫態(tài)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空凋,2006(4):34-38.[5] 燕在華。水錘的發(fā)生與防護[J].節水灌溉,1999(4):11-13.[6] 孟憲峰.輸水管道工程水錘現象分析及防護設計[J].21世紀建筑材料,2010(4):69 -72.[7] 梁其東，時(shí)偉，劉青.管道中水錘產(chǎn)生的原因及防控措施[J].水利建設與管理,2007(11);51 -52.[8] 朱金安,唐傳祥.給水系統中水錘的危害及防治措施[J].化工給排水設計,1998<2):42-44.(下轉第56頁(yè))中國煤化工MHCNMHG.●56●中原工學(xué)院學(xué)報2012年第23 卷參考文獻:[1] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩定分析一原理●方法[M].北京:中國水利水電出版社,2003.2] 涂兵雄,劉春曉,李紅燕.邊坡穩定分析方法討論[J].山西建筑,2008 ,34(1);92 93.[3] 劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.[4] 趙尚毅,鄭穎人,時(shí)衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安會(huì )系數[J].巖土工程學(xué)報,2002 ,24(3):343- 346.[5] 潘鵬飛,梁崢祥,李軍才.邊坡治理數值模擬的研究[J].礦業(yè)工程,2005.3<4);12- 14. .6] 張玉成，楊光華，張玉興?；碌陌l(fā)生與降雨關(guān)系的研究[J]. 災害學(xué),2007 ,22(1):82-- 85.Based on FLAC Stability Numerical Analysis ofHong-Tao-Shan Slope in NanpingNIE Guang huan, ZHANG Zhi-zeng, YANG Zi-sheng, HU Jiang chun .(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)Abstract:In this paper, through the systematic investigation on the geological environmental conditionsof Hong- Tao-Shan slope in Nanping, the rock mass structure, slide boundary, deformation characteristic areanalyzed. Combined with FLAC numerical simulation, the vertical stress, horizontal displacement, the maxi-mum unbalance force change curve graph are drawn. With FlAC program of the built in SolveFos solver con-cludes the slope safety coefficient is 1. 24, the numerical calculation results draw the conclusion is: The slopestability for the overall state, no sliding generation, slope tends to safety.Key words: slope; stability analysis; FLAC; numerical calculation(上接第45頁(yè))Analysis on the Cause of Pump-off Water Hammer in Large scaleConcentrated Air-Conditioning Circulating Water Systemand Controlling MeasuresZHOU Yi-de，LIU Lei, GAO Long，YANG Rui-liang( Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 45007, China)Abstract: The process and cause of the water hammer in air conditioning circulating water system as wellas the severe undermines brought by it are analyzed in this paper from the view point of pressure pulse on pumpand check valve caused by water return and water supply as pump fail. Furthermore, the basic method to esti-mate the water hammer pressure is given out. The measures to pravent and eliminate water hammer phenome-non are introduced from design and running.Key words:air conditioning circulating water; system; pu中國煤化工ressure of waterhammer; controllingMYHCNMHG.