徐巧權(quán)
（瑞安市自來水公司，浙江　瑞安　325200）

　　摘　要：針對水錘事故，通過計算機數(shù)學(xué)模型和仿真取得了理論依據(jù)，并根據(jù)實際情況選擇了合適的國產(chǎn)二階段緩閉止回閥替換了從國外引進的R型一階段微阻緩閉止回閥。建設(shè)單位和閥門生產(chǎn)廠的工程技術(shù)人員先后進行了五次現(xiàn)場工程原型試驗，終于獲得成功。
　　關(guān)鍵詞：水錘；　止回閥；　數(shù)學(xué)模型；　原型試驗
　　中圖分類號：TU991.39；TU991.35
　　文獻標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)05-0042-03

1　泵房概況

　　瑞安市江北水廠取水泵房座落在距水廠約35 km的飛云江上游江中，是一座岸邊式泵房，設(shè)計規(guī)模16.5×10⁴ m³/d。
　　泵房內(nèi)引進國外生產(chǎn)的BF—40—B型自耦安裝式潛水泵及與之相關(guān)的設(shè)備，如：R型微阻緩閉止回閥、低壓控制柜、控制儀表等，形成一個具有90年代水平的現(xiàn)代自動化取水泵房。
　　泵房內(nèi)安裝五臺BF—40—B型潛水泵，四用一備，該泵流量為2 000 m³/h，揚程461 kPa(47 m)，每臺潛水泵出口管徑DN600mm，配置DN600mm R型一階段緩閉止回閥及D341X—10型手動蝶閥。出水總管DN1 200 mm，總管設(shè)置DN100 mm排氣閥二只。泵房距隧洞進口1300m，其中水平段1220m，30°坡度至隧洞進口約80 m。隧洞底標(biāo)高42 m，截面2.3 m×2.3m，長度1396m，設(shè)計水位43.42m。泵址洪水位13.98m，常水位3.00m，枯水位2.21 m，潛水泵吸入口標(biāo)高-1.00 m。

2　水錘事故概況

　　取水泵房在調(diào)試運行期間，管路系統(tǒng)不論正常停泵和斷電事故情況下均發(fā)生水錘，一階段微阻緩閉止回閥響聲大，產(chǎn)生振動力致使泵房內(nèi)墻腳花崗巖踢腳線大片震落，并對系統(tǒng)設(shè)施造成損壞，先后出現(xiàn)以下幾種事故：
　　①　手動蝶閥閥體拉裂二次；
　　②　一階段微阻緩閉止回閥阻尼油缸固定螺栓剪斷三次（每臺油缸固定螺栓為M14四只，每次被剪斷三只）；
　　③　一階段微阻緩閉止回閥復(fù)位重錘支撐桿（Φ24）斷裂一次。

3　事故分析

　　為了解決水錘事故，借助水錘分析數(shù)學(xué)模型和計算機仿真技術(shù)進行理論分析。
3.1　潛水泵并聯(lián)時水頭平衡方程
　　①　斷電時停泵：

　　F₁=τ²{C_P1-C_M-B_R1Q_Rv₁+H_R(α²₁+v²₁)(A₀₁+A₁₁X₁)-B_SQ_R［mv₁+(N-m)v₂］}-DH₀v₁｜v₁｜=0

　　②　非斷電時停泵：

　　F₂=τ²₀{C_P2-C_M-B_R2Q_Rv₂+H_R(1-v²₂)(A₀₂+A₁₂X₂)-B_SQ_R［mv₁+(N-m)v₂］}-DH₀v₂｜v₂｜=0

　　③　潛水泵機組慣性方程：

　　F3=(α₁²+v₁²)[B₀₁+B₁₁(π+arctg(v₁/α₁))]+B₀₁-C31(α₀₁-α₂)

　　式中　N——并聯(lián)泵臺數(shù)
　　　　　m——斷電泵臺數(shù)

　　C_p=H_R+Q_R(B_R-α_RfΔt/2gD₁A₁²|Q_R|)

　　B_R=α_R/gA₁

　　C_M=Hs+Qs(B_S-α_SfΔt/2gD2A₂²|Qs|)

　　B_s=α_s/gA₂

　　式中　A₁、A₂、B₀、B₁——線性插值系數(shù)
　　　　　v——泵的瞬態(tài)無量綱流量，v=Q/Q_R
　　　　　α——泵的瞬態(tài)無量綱轉(zhuǎn)速，α=n/n_R
　　　　　τ——閥的瞬態(tài)無量綱開度
　　　　　α₀——前一時段泵的無量綱轉(zhuǎn)速
　　　　　β₀——前一時段泵的無量綱轉(zhuǎn)距，β₀=T_O/T_R
　　　　　τ₀——閥的初始無量綱開度
　　　　　DH₀——過閥流量為Q_R時的閥門水頭損失，DH₀=ξQ²_R/（2gA²_v),其中ξ為閥的阻力損失系數(shù)，A_v為過流面積。
　　④　聯(lián)立方程F₁、F₂、F₃，其為以α₁、v₁、v₂為變量的線性方程組，采用Newton-Raphson方法求解。其矩陣形式如下：

　　

　　這個方程提供了H_P和Q_P之間的關(guān)系，可以與水錘特征方程聯(lián)立求解。
3.2　微阻緩閉止回閥特征曲線
　　工況條件下系統(tǒng)內(nèi)安裝的一階段緩閉止回閥假定閥板受恒力時為勻速關(guān)閉，實際運行中隨著閥板的關(guān)閉其迎水面積逐漸增大，受力亦隨之增大，所以關(guān)閉過程是由慢逐漸加快的過程，閉合的瞬間速度最快。
　　瞬態(tài)過程中，流量Q_P與無量綱開度τ的關(guān)系為：
　　

　　式中　τ＝(C_dA_g)/(C_dA_g)₀
　　　　　C_dA_g——閥流量系數(shù)與開啟面積之積
　　　　　ΔH——過閥水頭損失
　　開啟角與無量綱開度之間的關(guān)系曲線如圖1。

3.3　取水泵房水錘事故計算機仿真
　　①　四臺潛水泵并聯(lián)運行，突然全部斷電，一階段微阻緩閉止回閥15 s關(guān)閉，水錘參數(shù)曲線如圖2。

　　②　一臺潛水泵運行突然斷電，一階段微阻緩閉止回閥15 s關(guān)閉，水錘參數(shù)曲線如圖3。

　　③　四臺潛水泵并聯(lián)運行，突然斷電，泵出口配置緩閉止回閥按優(yōu)化二階段關(guān)閉，水錘參數(shù)曲數(shù)如圖4。

3.4　事故原因分析
　　由上述水錘計算結(jié)果可知，最不利情況是四臺潛水泵并聯(lián)運行同時斷電情況下產(chǎn)生的最大水錘力85 m水柱(833 kPa)，而在調(diào)試運行中為單臺潛水泵運行，水錘力為65 m水柱(637 kPa)，卻造成系統(tǒng)設(shè)施多處損壞。其主要原因有以下幾種：
　　①　該型式緩閉止回閥為一階段工作原理，不適應(yīng)在該工況條件下工作，起不到消除水錘的作用。
　　②　由于管路系統(tǒng)中存在高位隧洞，且高位隧洞容積大。當(dāng)停泵水錘壓力波返回時緩閉止回閥開始關(guān)閉動作，由慢變快的過程中高位水壓以加速度形成沖擊力。
　　③　手動蝶閥閥體系鑄鐵材料，鑄鐵抗拉強度較差。以現(xiàn)場安裝情況看，當(dāng)發(fā)生水錘時，緩閉止回閥閥板受沖擊力，對手動蝶閥閥體產(chǎn)生拉力而損壞。

4　事故的處理

　　在系統(tǒng)調(diào)試過程中，先后發(fā)生的事故作如下處理：
　　①　手動蝶閥閥體拉裂的處理。由于緩閉止回閥至蝶閥為鋼管法蘭聯(lián)接，鋼法蘭強度高，用螺桿將緩閉止回閥、手動蝶閥在兩端法蘭間拉結(jié)成一體。當(dāng)水錘發(fā)生時，作用在緩閉止回閥閥板上的沖擊力通過螺桿傳遞到鋼法蘭上，避免了對蝶閥閥體產(chǎn)生拉力。
　　②　消除水錘力。根據(jù)二階段緩閉止回閥的水錘參數(shù)曲線和該緩閉止回閥的工作原理，第一階段為快關(guān)時段，在1～3 s時間內(nèi)將閥板從全開狀態(tài)快速關(guān)閉70°；第二階段為慢關(guān)時段，應(yīng)用緩閉止回閥油缸的阻尼作用，接快速關(guān)閉之后用15 s左右時間，緩慢地將20°閥板關(guān)閉可達到消除水錘力的目的。因此用二階段緩閉止回閥換下從國外引進的一階段微阻緩閉止回閥，基本上消除了水錘產(chǎn)生的問題。

5　結(jié)論

　　通過半年來的工作實踐和對取水泵房發(fā)生水錘事故的系統(tǒng)分析與處理，結(jié)論如下：
　　①　高位隧洞大量儲水對管線產(chǎn)生的水錘力不同于一般管網(wǎng)情況。本系統(tǒng)水錘事故在理論計算指導(dǎo)下處理方法得當(dāng)，有效地解決了事故發(fā)生問題。
　　②　在本取水泵房工況下，從國外引進的一階段微阻緩閉止回閥不能適應(yīng)，而國產(chǎn)二階段緩閉止回閥充分顯示出其優(yōu)良的性能和消除水錘的明顯效果。

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收稿日期：1999-12-20