大型集中空调循环水系统停泵水锤成因分析及防护

第23卷第5期中原工学院学报Vol. 23 No. 52012年10月JOURNAL 0F ZHONGYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYOct. ,2012文章编号:1671- 6906(2012)05 - 0042- -04大型集中空调循环水系统停泵水锤成因分析及防护周义德，刘磊，高龙，杨瑞梁(中原工学院,郑州450007)摘要:从停泵时回水和供水对水泵及止回阀造成的压力脉冲角度,分析了空调循环系统水锤产生的过程和原因，指出了大型空调水系统水锤的严重危害,给出了水锤压力估算的基本方法,并从设计和运行等方面介绍了防治和消除水锤现象的措施.关鍵词:空调循环水系统;停泵水锤;水锤压力;防治中图分类号: TV13文献标志码: ADO1:10. 3969/j. issn. 1671 - 6906. 2012. 05. 010水锤现象研究历来已久，现有成果大多集中在水换,从而在管路中产生一.系列急骤的压力交替变化的锤现象明显、破坏力巨大的电站循环水输送系统、提灌水力撞击现象C3-41.造成的结果,轻则管道系统振动，泵站等高扬程供水领域1-2],而随着集中空调系统在影响管道系统寿命,重则水管破裂,酿成泵房淹毁,造民用建筑中应用的普及,水锤现象在空调水系统调试成设备损坏,甚至造成操作人员伤亡等,特别是对于大及运行中时有发生，甚至造成相当大的“水崩”事故.一型空调水系统,该问题不可等闲视之.般来讲,空调系统越大,楼层越高,对水锤问题的设计根据实际工程经验,大型空调循环水系统水锤发考虑及操作不善造成的后果就会越严重,而目前学者生时，系统中产生高于平时工作压力几倍至几十倍的和设计部门很多人员对这个问题尚没有足够的重视.脉 冲压力,系统管道产生剧烈的上下前后振动,并伴有本文将对大型集中空调水系统水锤的发生及危害、水.来自系统远方的沉闷的管道振动噪声.如果不能及时锤产生的原因以及水锤产生压力波的大小进行分析，采取措施,连续振动几次后,在水泵和制冷机进口处的并就如何消除空调水系统中水锤的影响，提出合理化软接就会很容易因为剧烈的撕扯而破裂,大量的高压建议.水柱就会倾泻而出,造成电机和设备进水或被淹,应力集中时可能振裂制冷机管道接口,设备产生位置移动，1空调水系统水锤的产生及危害甚至出现人身伤亡,后果十分严重.水锤是流体流动特性的瞬变过程,它是流体的一2空调循环水系统停泵水锤产生的种非稳定流动，也称压力脉冲,即在压力管道中,当水原因分析流因某种原因而产生流速的急剧变化时,由于流体的惯性作用而引起管道内液体的压力急剧升高或降低.水锤现象的延续时间虽然极其短暂，但它会造成严重在大型空调水系统中,水锤现象产生的原因十分的工程事故，如因事故停泵在给水管路上产生水柱分复杂.按水锤形成的外部条件,水锤现象可分为启泵水离和断流弥合水锤，则其破坏性更为严重.在输水管锤现象、停泵水锤现象和关阀水锤现象,其中以停泵水道中，因某种原因,如发生事故停泵、阀门快速关闭等，锤的危害最为严重.本文将以空调冷却循环水系统水使得压力管道中流体速度发生剧烈变化,引起动量转锤为例对水锤产生的原因进行分析.中国煤化工收稿日期:2012 -07-14MHCNMHG作者简介:周义德(1957-).男,河南南阳人,教授..第5期周义德，等:大型集中空调循环水系统停泵水锤成因分析及防护2.1 水锤产生的过程2.2.2系统静 压水位高在大型集中空调系统运行中,由于空调泵站工作系统静压水位越高，回水管储存的能量就越大.一人员操作不当、突然停电、外电网事故跳闸或其他原因旦水泵突然停止运转,回水管内的水流不会立即停止，导致水泵机组突然断电而停机,此时在泵站及管路系在高静压水位的作用下,产生的水力冲击就越大.在系统中最容易发生的一种水锤现象,称之为停泵水锤.如统静压水位高于20m时,应该注意这个问题.图1所示，当水泵紧急关闭时,水泵的惯性制动快于系2.2.3采用 单侧离心泵统中水流的减速,系统较大时,大量高速的水流由于惯由于单侧离心泵叶轮的结构特点,停泵时,叶轮在性继续在管道内流动,而在瞬间停滞的水泵叶片端面失去动力的情况下快速停止，此时大量的水流无法顺处受阻,在点2处产生的高压如果不能及时释放,将形利通过叶轮流向前方,叶轮对水流产生巨大的阻力,容成巨大的水力冲击,其结果是像海浪碰到海岸一样产易在叶轮的端面处产生较大的轴向水流推力而无法消生回流,造成叶轮进水,点2处形成高负压,此时自点除.其结果是形成反向回流,在叶轮端面产生负压,回3始循环水出水快速回流，使得泵出口止回阀迅速关流一段时间后,水流又返回叶轮端面处形成巨大的推闭;当点2处的回流冲击一-段距离后,又会在重力的作力,如此反复,造成较强的水力脉冲.而轴流泵或双吸用下冲回叶轮端面,透过叶轮缝隙冲向水泵出口,将止泵由于叶轮的安装结构特点,停泵后叶轮对水流的阻回阀再次顶开,并因动能的抵消和撞击反弹再次产生力小，水流不易在叶轮端面处产生较大的水力冲击,不回流，与此同时,循环水出水在回流撞击至止回阀阀板会产生初始的大振幅水力冲击,就不易形成较大的水后也会再次改变流向,向供水方向冲击.如此反复进行力脉冲,系统产生水锤的可能性就小.脉冲,在止回阀两侧产生剧烈震荡,造成止回阀反复开2.2.4水泵吸水管道阻力 小停,形成严重的水锤现象.冷却水系统阻力越小，停泵时产生水锤的可能性_●就越大,因为较小的系统管道阻力无法吸收停泵时产生的水力脉冲.在静压水位较高时,系统中安装大阻力的回水过滤器、换热器等装置以及管道的弯曲等,都对制冷机组减弱水锤有一-定的帮助.旁通泄压止回阀2.2.5 系统管道设计安装不合理它系统管道安装位置设计不合理,较长的管道安装固定不牢固等,造成水力冲击无法在管道内消除,从而很容易传到整个管道系统而造成震动.管道系统的自振频率和产生水锤时的水力冲击频率接近,是系统发图l空调水系统示意图生严重水锤现象的原因之一，而系统的自振频率和管由以上分析可以看出,停泵时,大型集中空调循环道系统的安装固定方法密切相关.水系统水锤的产生与高扬程输送系统[|-日不同,前者根据上述分析,由于产生水力脉冲需要空间,开式是由供水和回水在水泵叶轮和止回阀上的共同作用引系统提供了这方面的条件;而闭式系统由于水流一.直充起的,后者与供水的高速惯性回流撞击止回阀有关.满系统,兼之水的不可压缩性,造成冲击波的振幅会相对较小.因此,开式系统比闭式系统更容易产生水锤.2.2水锤产生的原 因停泵产生水锤的原因有以下几个方面.3水锤产生的压力分析2.2.1回水管道直径大,存水量多回水管直径设计过大,造成管内储存水量大,停泵综合上述分析可知,停泵时在水泵叶轮上产生的时积聚的能量就大,造成的冲击就越严重.因此,回水管巨大压力是水锤产生的最直接原因.分析计算水锤产道也不是越大越好,应以确保重力流速合适进行设计为生的压力的土少对加咨叶胡并问晒的研究和对大型中国煤化工好,一般水泵回水管流速设计为1.0~1.2 m/s.空调水系乡，进而在设计中采TYHCNMHG.中原工学院学报2012年第23 卷取必要的防水锤措施,具有重要意义.3.3水锤压力计算 举例3.1 水锤的传播速度例如,某工程地下室水泵距屋顶冷却塔几何高度在均质管道输送清水,且不考虑水中所含空气情为51 m,水泵吸水管道运行阻力损失为2 mH2O,水况下,水锤传播速度a按下式计算[5]:泵吸水管流速为1. 2 m/s, 水泵吸水管管径为1 425DN250 mm，系统工作压力为65 mH2O.发生水锤时，T+ (Eo/E)(D/8)C”(1)止回阀如果在管道水流倒流后关闭，则计算出在系统式中:E。-水的弹性系数,取2.025X10* kg/m2;中产生的水锤压力值为722 mH2O,是平时工作压力E-管壁材料的弹性系数,对于钢管,E=2.06X的11倍,危害极大.10l0 kg/m2 ;8-管壁厚度(m);4停泵水锤的防护措施D-管道内径(m);Ci-不同壁厚、不同支承方式的系数.停泵水锤的防护措施有多种，根据工程实际情况，对于薄壁管道(D/8>25),当管道只在上游端固概括起来可分为如下几个方面:定时:4.1泄压降锤C = 1-μ/2(2)泄压降锤主要是通过管道的泄压设施降低停泵时式中:μ为管壁材料的泊松比,对于钢材，μ取0.3.产生的瞬时压力脉冲.其方法有如下几种["].3.2水锤产生 的压力估算4.1.1瞬时泄压水锤压力的估算值如下[6]:在水泵人口及止回阀出口处安装旁通管,并在旁(1)当两水柱再弥合时即出现水柱冲击,其压力升通管上安装旁通泄压止回阀(见图1).停泵时,水泵出高值按下式估算:口止回阀关闭,由于水流的惯性，管道内压力急剧上△H = aQv/g(3)升,旁通泄压止回阀迅速打开,水泵被短路，管道内水式中:Ov=v-v,0I为水柱弥合前的运动速度,U2为流由于惯性通过旁通泄压止回阀继续在管道内循环流水柱弥合后的运动速度.动，起到降压、消除水锤的作用.(2)当水泵出口设有止回阀,并在止回阀后水柱再4.1.2泄水降压弥合时,其压力升高值按下式估算:△H = av/g(4)通过泄水降压的方法可以避免系统压，力迅速上式中:U为水柱冲击阀门或止回阀时的速度(m/s).估升.属于这种类型的设备有压力泄压阀、缓闭止回阀和水锤消除器等.算如下:(1)压力泄压阀的工作原理与安全阀相似,可预先如果在管道水流开始倒流时止回阀关闭，则v=设定一定的压力值,当管道系统内压力超过设定值时，vo(管道初始流速);如果在管道水流倒流后止回阀关闭，则o可按下阀门就会迅速开启,释放超出预定压力值的压力;当管道系统内压力低于设定压力值时,阀门自行关闭,起到式估算:泄水降压消除水锤的效果;H。+9(5)(2)缓闭止回阀.缓闭止回阀是只能单向开启的阀门，它通过阀门缓闭的方式来消除水锤.其形式有旁通式中: H.-出水池水面到止回阀门处的几何高度式、上阻式、侧阻式等.该阀根据需要在一定范围内对(m);阀门关闭时间进行调整.在停电后3~7 s内阀门关闭ZOh,-出水池水面到止回阀门处管道正常运行70%~80%,剩余20%~30%的关闭时间根据水泵和时的水头损失(m).管路调节,常在10~30 s范围内;水锤现象产生的压力变化主要取决于管内流速的(3)停泵水锤消除装置.该水锤消除装置能在无需变化程度.停泵时,止回阀迅速关闭，管道内流速急剧阻止流体流中国煤化工各类流体在传输变化,这时产生的压力可达到正常工作压力的很多倍，系统可能产MHCNMH G的不规则水击波其破坏程度较为严重.震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波,起到保护系.第5期周义德,等:大型集中空调循环水系统停泵水锤成因分析及防护●45●统的目的..并联运行时,对其中一台变频即可.4.1.3气压罐定压4.3其 他措施此方法在国内使用不多,在国外使用较为广泛它(1)核算水锤压力,正确选择管道配件的工作压利用气体体积与压力关系的特定定律工作.随着管路力,以免在误操作或者其他故障引起严重水锤时造成中的压力变化,气压罐向管道补水或吸收管路中的过“水崩”危害;高压力,其作用和定压罐类似.(2)在系统换季首次冲水运行前,应确保排除管网4.2 减速降锤系统中的空气,特别是泵站内局部最高点的空气,以防止运行及停泵时由于气体压缩引起的水锤现象[°];4.2.1增加水泵惯量(3)增强管道支架的紧固程度,加大支架密度,适水泵增加飞轮,会增大泵回转部分的惯性效应.选当提高管道壁厚,以降低共振效应,应付水流冲击对管用转动惯量大的电动机，使水泵叶轮延长惯性运转时网造成的危害.间而逐步减速，从而使系统中的水流逐步降速，减少水(4)建立科学合理的开停机运行管理制度,严格按流对叶轮和止回阀的冲击,可有效消除停泵时的水锤照程序操作.开停机时至少2人在场，互相配合，互相现象.但这种方法需要-定的条件.监督,确保无差错.4.2.2顺序关阀停泵对多台同时运转的水泵,应顺序停泵,每台水泵的5结语停止间隔时间应不小于5 min. 停止最后一台水泵时，应逐渐关小阀门,关阀时间可根据运行经验确定,一般大型空调循环水系统停泵时产生的水锤具有较应不小于3 min;有条件时不要关闭并联的其他水泵大的破坏性.为了有效地避免水锤事故的发生，系统阀门,以增加泄压通道.单级对单泵系统运行时更应注设计人员应充分了解停泵时水锤产生的原因及危害，意这种情况.在设计时应对水锤压力进行计算与分析,选择合理的4.2.3变频停泵承压管路配件,压力较大时采取必要的防护措施.运为克服突然停泵时产生的巨大压力,可对水泵采行管理人员在系统运行过程中,应严格按照操作规程取变频措施,停泵时逐渐降低转速,从而降低水流的惯操作.管理,维护相关安全保护设施,以防止水锤现象性冲击力,这样可以有效地消除水锤的影响.多台水泵的发生.参考文献:1] 顾赞.大型串联增压泵站的水锤分析及防护措施研究[J].给水排水，2010(8):50-52.[2] 方永旗;高扬程提灌泵站水锤分析及防护措施[J].中国农村水利水电，201011);141-143.[3] ChunM H, YuSO. 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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页)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中国煤化工ressure of waterhammer; controllingMYHCNMHG.