浅议抗水锤气压罐在消减停泵水锤中的应用

文献标识码：A   文章编号：1004-4345（2003）03-

A discussion on advantage of air chambers for water hammer for diminish water hammer when cut off pump

Liu yi    Chen min

(Nanchang Engineering & Research Institule of Nonferrous Metals  Nanchang  330002)

Abstract  This paper introduces equipment used for combating water hammer, conformation ; working elements and merit fault. And make it using abroad for the better work in the future.

Keyworda water hammer when cut off pump, air chambers for water hammer , elements,application

停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾因发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。
　　停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。常见的防范措施有以下几个：    
　　（1）降低输水管线的流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资。
　　（2）输水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变。
　　（3）通过模拟计算，选用转动惯量GD²较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。
　　（4）设置水锤消除装置：如气压罐、双向调压塔、单向调压塔、水锤消除器、缓闭止回阀等

其中采用抗水锤气压罐消减停泵水锤的做法简单易行、效果显著，且不受地形影响，在欧洲（英、法等国）使用非常普遍，但在国内使用不多。我院通过在国外供水工程中的设计实践，积累了一些该装置在设计计算及使用方面的经验，在此作简介。

1  抗水锤气压罐的构造及工作原理

抗水锤气压罐用于消减停泵水锤时连接在水泵出水止回阀后的压力供水管道上，由压力球罐（内含气水分离隔膜）和球罐出口的钻孔止回阀、闸阀组成（详见图1）。它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化，气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，抗水锤原理上与双向调压塔类似。

正常运行时，气压罐内气水体积如图2a，当水泵突然停止运行，压力供水管道起端处形成负压，甚至水柱分离时，气压罐向管道补水，可以有效平衡负压，防止水柱分离，削减水锤强度。此时气压罐中水量减少，气体膨胀（详见图2b）；当水锤波返回时，压力供水管道起端压力升高，气压罐从管道进水，吸收管道内过高的压力，气压罐中水量增加，气体被压缩（详见图2c）,起了气垫作用，从而有效抵抗了水锤对管路系统产生的不利影响。

    抗水锤气压罐的在内部构造上与国内气压给水设备中常用的调节气压罐基本相同，但两者在出口阀门设置上有所不同。抗水锤气压罐在其出口管段上除安装了检修用闸阀之外，还设置了一个钻孔止回阀，即在阀瓣上钻一定口径的小孔（孔径须经计算确定），这也是该装置中最有特色的一部分。其作用是：当压力供水管道起端处形成负压甚至水柱分离时，止回阀全开，气压罐能迅速的向管道中补充所需水量；当水锤波返回，压力供水管道起端压力升高时，水量通过止回阀瓣上的小孔进入气压罐，一方面吸收管道内过高的压力，另一方面加大了水流进入气压罐时的水头损失，消耗了水锤波的能量，降低了因水锤波运动产生的压力来回摆动对管路系统造成的影响。

抗水锤气压罐的选型

    抗水锤气压罐的运行原理非常简单，但其选型计算却并不简单。不仅要考虑水流的运动性和连续性，而且要考虑到因罐内空气体积急剧变化而导致的空气温度变化对空气体积的影响。这使计算变得复杂且不易准确。目前常见的计算方法有以下几种：

       <![endif]>经验公式计算法

    其特点是算法简便，可迅速估算出所需气压罐的体积，常用于可行性研究及方案设计阶段。公式如下：

                                V=10Q·L

式中：V为气压罐的总容积，m³；Q为压力供水管道的流量，m³/s；L为压力供水管道的长度，m。

（2）  图解法

根据帕马金图表计算所需气压罐体积。其特点是算法比较简便，可根据管道系统所能承受的水锤压力变化范围（安全压力变化范围）来确定最经济的气压罐体积，结果相对经验公式计算法更为准确，常用于初步设计阶段。因计算图表较多，在此不作详述。

（3）       电算法

    其计算原理是应用弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，再结合各种影响因素及边界条件，计算出所需气压罐的体积。此算法过程复杂，但结果非常准确，常用于施工图设计阶段。因各生产厂家产品规格有所差异，其选型计算过程也略有不同，施工图设计中可请生产厂家协助计算及选型。

3  抗水锤气压罐的优缺点及适用条件

    相对于其它抗水锤装置，抗水锤气压罐具有以下优点：

（1） 抗水锤效果好。它不仅具备双向调压塔的平衡负压和降低正压的功能，而且具有减少压力来回摆动的效果，能够将水锤现象对管路系统的各种危害削减到最小程度。

（2）不受地形条件限制，应用灵活。罐中气体体积和压力随管道压力而变化，将罐中水量的变化限制在气压罐容积范围之内，有效避免了双向调压塔因水位随管道压力自由变化而受泵站压力和周边地形限制的弱点，适用于各种供水压力和不同地形。

（3）运行安全可靠。该装置构造简单，自动运行，避免了如水锤消除器等装置因设备故障或人为原因造成的事故。即使钻孔止回阀出现故障，抗水锤气压罐仍能通过阀瓣上的小孔实现一定的平衡负压和全部的降低正压、减少压力来回摆动的功能，不至于产生太大危害。

（4）使用方便、易维护。气压罐安装后无须调试即可自动运行，省去了采用缓闭止回阀作为抗水锤装置时繁复的调试过程。全装置构造简单，且不须经常补气，基本无维护负担。

     抗水锤气压罐的缺点是价格较高，耗用钢材，且装置密封性要求高。当压力供水管道流量过大或输水距离过长时，造成气压罐容积过大，从而产生购置费用过高和加工困难等问题。因此，抗水锤气压罐一般适用于规模为中小型、输水管长度不大的泵站，具体还应结合工程实际情况经计算和经济性能综合比较确定。

4  结语

尽管抗水锤气压罐在国内的设计和使用经验不多，但它经过国外的大量的工程设计实践和多年的运行管理经验，已经成为一种技术成熟的抗水锤装置。它具有抗水锤性能全面、应用灵活、安全可靠、运行维护方便等优点。在项目规模不大及经济条件允许的情况下，值得在国内工程中推广采用。

参考文献：

1给水排水设计手册.北京：中国建筑工业出版社

2姜乃昌.水泵及水泵站.北京：中国建筑工业出版社，1993