徐巧權
（瑞安市自來水公司，浙江　瑞安　325200）

　　摘　要：針對水錘事故，通過計算機數學模型和仿真取得了理論依據，并根據實際情況選擇了合適的國產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。建設單位和閥門生產廠的工程技術人員先后進行了五次現場工程原型試驗，終于獲得成功。
　　關鍵詞：水錘；　止回閥；　數學模型；　原型試驗
　　中圖分類號：TU991.39；TU991.35
　　文獻標識碼：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，設計規模16.5×10⁴ m³/d。
　　泵房內引進國外生產的BF—40—B型自耦安裝式潛水泵及與之相關的設備，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年代水平的現代自動化取水泵房。
　　泵房內安裝五臺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。隧洞底標高42 m，截面2.3 m×2.3m，長度1396m，設計水位43.42m。泵址洪水位13.98m，常水位3.00m，枯水位2.21 m，潛水泵吸入口標高-1.00 m。

2　水錘事故概況

　　取水泵房在調試運行期間，管路系統不論正常停泵和斷電事故情況下均發生水錘，一階段微阻緩閉止回閥響聲大，產生振動力致使泵房內墻腳花崗巖踢腳線大片震落，并對系統設施造成損壞，先后出現以下幾種事故：
　?、佟∈謩拥y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，借助水錘分析數學模型和計算機仿真技術進行理論分析。
3.1　潛水泵并聯時水頭平衡方程
　?、佟嚯姇r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

　?、邸撍脵C組慣性方程：

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

　　式中　N——并聯泵臺數
　　　　　m——斷電泵臺數

　　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
　　　　　v——泵的瞬態無量綱流量，v=Q/Q_R
　　　　　α——泵的瞬態無量綱轉速，α=n/n_R
　　　　　τ——閥的瞬態無量綱開度
　　　　　α₀——前一時段泵的無量綱轉速
　　　　　β₀——前一時段泵的無量綱轉距，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，A_v為過流面積。
　?、堋÷摿⒎匠蘁₁、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之間的關系，可以與水錘特征方程聯立求解。
3.2　微阻緩閉止回閥特征曲線
　　工況條件下系統內安裝的一階段緩閉止回閥假定閥板受恒力時為勻速關閉，實際運行中隨著閥板的關閉其迎水面積逐漸增大，受力亦隨之增大，所以關閉過程是由慢逐漸加快的過程，閉合的瞬間速度最快。
　　瞬態過程中，流量Q_P與無量綱開度τ的關系為：
　　

　　式中　τ＝(C_dA_g)/(C_dA_g)₀
　　　　　C_dA_g——閥流量系數與開啟面積之積
　　　　　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　四臺潛水泵并聯運行，突然全部斷電，一階段微阻緩閉止回閥15 s關閉，水錘參數曲線如圖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關閉，水錘參數曲線如圖3。

　?、邸∷呐_潛水泵并聯運行，突然斷電，泵出口配置緩閉止回閥按優化二階段關閉，水錘參數曲數如圖4。

3.4　事故原因分析
　　由上述水錘計算結果可知，最不利情況是四臺潛水泵并聯運行同時斷電情況下產生的最大水錘力85 m水柱(833 kPa)，而在調試運行中為單臺潛水泵運行，水錘力為65 m水柱(637 kPa)，卻造成系統設施多處損壞。其主要原因有以下幾種：
　?、佟≡撔褪骄忛]止回閥為一階段工作原理，不適應在該工況條件下工作，起不到消除水錘的作用。
　?、凇∮捎诠苈废到y中存在高位隧洞，且高位隧洞容積大。當停泵水錘壓力波返回時緩閉止回閥開始關閉動作，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。以現場安裝情況看，當發生水錘時，緩閉止回閥閥板受沖擊力，對手動蝶閥閥體產生拉力而損壞。

4　事故的處理

　　在系統調試過程中，先后發生的事故作如下處理：
　?、佟∈謩拥y閥體拉裂的處理。由于緩閉止回閥至蝶閥為鋼管法蘭聯接，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成一體。當水錘發生時，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生拉力。
　　②　消除水錘力。根據二階段緩閉止回閥的水錘參數曲線和該緩閉止回閥的工作原理，第一階段為快關時段，在1～3 s時間內將閥板從全開狀態快速關閉70°；第二階段為慢關時段，應用緩閉止回閥油缸的阻尼作用，接快速關閉之后用15 s左右時間，緩慢地將20°閥板關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生的問題。

5　結論

　　通過半年來的工作實踐和對取水泵房發生水錘事故的系統分析與處理，結論如下：
　　①　高位隧洞大量儲水對管線產生的水錘力不同于一般管網情況。本系統水錘事故在理論計算指導下處理方法得當，有效地解決了事故發生問題。
　　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，而國產二階段緩閉止回閥充分顯示出其優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