上海凯泉泵业（集团）有限公司上海201804
摘要：介绍高层建筑二次供水泵房给水系统水锤机理，提出水锤防护措施，以提高高层建筑二次供水泵房给水系统的安全可靠运行。
关键词：二次供水泵房给水系统；水锤；防护措施
随着我国城镇化进程的加快，高层建筑越来越多，配套二次供水泵房供水压力也越来越大，如果发生水锤，轻则造成管道振动、配件松动，重则导致管道爆管、供水泵组叶轮损坏，导致供水中断，甚至伤害到泵房管理人员。因此水锤防护成为二次供水泵房给水系统安全平稳运行的关键因素。
在有压力的供水管路中，由于供水泵机组的意外断电、闸或阀的误操作等意外事件以及水泵机组的非正常启停等原因，导致管道内流速、流向剧烈变化而引起一系列急剧的压力交替升降，对管壁、水泵以及阀门等附件产生巨大的水力撞击现象，即为水锤。
一、水锤机理
1.水锤的成因
（1）事故停泵。正在运行中的供水泵机组因突然机械故障、停电、误操作或其他原因等，导致运行中的水泵动力突然中断。
（2）流速剧变。在水泵启停、阀门突然快速启闭的瞬间，导致水流速度发生急剧变化。
2.水锤的分类
（1）按产生水锤的原因可分为关（开）阀水锤、启泵水锤和停泵水锤。
（2）按产生水锤时管道水流状态可分为不出现水柱中断与出现水柱中断两类。
在实际工程中，后果较严重的水锤是出现水柱中断水锤。所谓出现水柱中断水锤又称断流弥合水锤，当管路中某处的压力降到当时水在该温度下的饱和蒸气压时，水将发生汽化，破坏了水流的连续性，造成水柱分离（又叫水柱中断），而在该处形成“断流空腔”。当分离开的水柱重新弥合，重新被水充满时，由于两股水柱间的剧烈碰撞会产生压力很高的“断流弥合水锤”。断流弥合水锤所形成最大压力值约为几何扬程的3～5倍，并且传播速度极快，实际证明，它对二次供水泵房给水系统具有很大的破坏性。
突然停泵后在泵房及管路内发生压力降。图1中给出了两种布管方式及它们的最低压力线EFR。靠近泵房处压力降较大，而在水池附近压力降较小。在AB'C的布管方式中最低压力线EFR标高恒高于管线标高，即在管路内水压力恒大于大气压；而在ABC的布管方式中，有很大一段管线标高高于最低压力线标高，即在“1-2”管段内出现了真空，而最大真空值发生在管路膝部B点。“水柱分离”不一定都发生在图1所示的陡转点B点，在平缓的管路中，如果正常流速过大，机组惯性又小，突然停电后，水冲击导致普通止回阀迅速关闭，也可能发生断流弥合水锤现象，回流的水柱撞击到关闭的普通止回阀上将产生极大的水锤压力。
图1两种布管方式（ABC及AB’C）
EFR-发生水锤时最低压力线
3.水锤的危害
（1）水锤压力过高，引起管道、阀门或水泵损毁；水锤压力过低，导致管道因失稳而破坏。
（2）水泵反转速度过高或突然停止反转过程或电机再启动，以及与水泵机组的临界转速相重合，引起水泵机组的剧烈振动或联结轴的断裂、电机转子的永久变形。
（3）水泵倒流量过大，引起下游管网压力急剧下降，水量减小，影响正常供水。
二、二次供水泵房给水系统水锤防止措施
1.采用缓闭式止回阀
国内外大量的实践证明，当供水机组突然停机，管路中倒流水的流速达到一定程度时，泵出口止回阀突然快速关闭，会引起很大的压力上升；如果泵机组惯性小，供水地形高差大时，压力升高更大。改用缓闭式止回阀则可以有效避免此种情况造成的水锤，其采用了低阻力平衡、缓慢关闭或不全关闭，允许局部倒流缓冲，有效减弱水锤对水泵的直接冲击。理想的缓闭止回阀管路的停泵水锤值可控制在几何扬程的1.45倍左右。
2.采用软启动和软停机
供水设备采用全变频方案，每台水泵均配置一个变频器，“一对一”变频控制水泵进行软停机/软启动，即通过对供水设备进出口管网压力的检测，采用PLC自动控制，反馈控制水泵的开停和转速调节，控制流量，保证恒压供水，且停泵/启泵时通过变频器逐渐降频停泵/升频启泵，避免突然停泵/启泵造成的水锤。
3.配置大容积的分腔稳压罐，建立系统内循环
供水设备配置大容积的分腔稳压罐，当产生水锤时，水锤波通过主动补偿装置进入稳压罐，建立系统内循环（通过管路连接，形成“水泵-出口管-稳流罐-水泵”的循环），由于罐内有一定量气体，形成气垫，缓冲效果好，加之稳压罐容积够大，可有效降低水锤的影响。
4.配置大容积的气压罐
为了避免水锤现象的发生，在供水设备出口管道上专门配备隔膜式压力罐，防护等级抗压能力强，在管网瞬间流量变化时，水可以被压进压力罐进行缓冲，避免瞬间巨大压强对于管路的直接冲击，有效防止产生水柱分离或升压过高的水锤。
5.安装水锤吸纳器和泄压阀组
消弱水锤除在阀门、水泵的启闭时注意延长开关时间外，还可以在供水设备出水管道上安装水锤吸纳器和泄压阀组。
水锤吸纳器与储压器不同，可直接安装在水泵出口管路上，其工作原理为：设备运行过程产生水锤的压力波通过此水锤吸纳器时，压力会通过内管传到内胆，在常压下保持平衡的内胆此时会瞬间性地产生弹性膨胀从而起到有效吸收水锤的作用。
在管道上安装泄压阀组，当管道中压力高过设定动作压力时，泄压阀自动打开、超压水从泄压阀排出，进行泄水减压；当管道中压力恢复正常，泄压阀自动关闭，保护机组和管网安全。
6.安装防水锤空气阀
当管道竣工或完成检修作业通水时，未排净水流中混合的空气，使管道内有气囊存在，在气囊处压缩的空气由于水压产生较大的瞬时压力，主要会造成两类事故，一是压缩气囊瞬时膨胀使管道中产生水锤引起爆管；二是减少水流的过水断面，增加输水过程中的水头损失，造成管道流量达不到设计标准甚至断水。
在管路配备防水锤空气阀可有效抑制突然停电时进口和出口管路产生的水锤。既能排出管道内积存的空气，又能在管道出现负压时及时向管道内吸入空气，在水柱相撞时起到缓冲作用，以降低水锤压力，然后再通过小孔口排气阀将气缓慢排出。通常设置于管道中的凸起部位，管段中间如无凸起，则设置于管段的高端。大口径管道设置时宜在阀前设置排气三通，便于在管道初次通水时通过人工进行排气。
7.通过专业软件进行防水锤模拟计算和设计
通过专业软件可以自动建立管道水力模型进行水锤模拟，可以挑选出最适合的控制方案，包括水泵的惯性、重排管道路径及组合、调整泵的操作流程、改变调节阀的操作策略等，以缓和水锤的冲击。
从而达到以下目的：
①评估管道系统中的水锤风险
②制定经济的水击控制解决方案
③预防基础设施与设备遭到破坏
④为所有水击保护设施建立模拟计算
⑤将管道的损耗降到最低
还可以在供水管道和供水设备管道中安装柔性接口，如橡胶软接、金属补偿器等；采用减震支吊架来减轻水锤对管道的破坏；在水泵下部安装减振器或减震垫等处理措施。总之，根据具体情况尽可能采用综合性的防护措施，甚至几种措施同时使用，以提高水锤防护功能的安全可靠性。
参考文献：
[1]金锥，等.停泵水锤及其防护[M]，北京：中国建筑工业出版社，2004，
[2]刘竹溪，刘光临，泵站水锤及其防护[M]，北京：水利电力出版社，1988