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）

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）

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.

空调循环水系统；停泵水锤；水锤压力；防治

水锤现象研究历来已久，现有成果大多集中在水锤现象明显、破坏力巨大的电站循环水输送系统、提灌泵站等高扬程供水领域［1－2］，而随着集中空调系统在民用建筑中应用的普及，水锤现象在空调水系统调试及运行中时有发生，甚至造成相当大的“水崩”事故.一般来讲，空调系统越大，楼层越高，对水锤问题的设计考虑及操作不善造成的后果就会越严重，而目前学者和设计部门很多人员对这个问题尚没有足够的重视.本文将对大型集中空调水系统水锤的发生及危害、水锤产生的原因以及水锤产生压力波的大小进行分析，并就如何消除空调水系统中水锤的影响，提出合理化建议.

1 空调水系统水锤的产生及危害

水锤是流体流动特性的瞬变过程，它是流体的一种非稳定流动，也称压力脉冲，即在压力管道中，当水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，但它会造成严重的工程事故，如因事故停泵在给水管路上产生水柱分离和断流弥合水锤，则其破坏性更为严重.在输水管道中，因某种原因，如发生事故停泵、阀门快速关闭等，使得压力管道中流体速度发生剧烈变化，引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象［3－4］.造成的结果，轻则管道系统振动，影响管道系统寿命，重则水管破裂，酿成泵房淹毁，造成设备损坏，甚至造成操作人员伤亡等，特别是对于大型空调水系统，该问题不可等闲视之.

根据实际工程经验，大型空调循环水系统水锤发生时，系统中产生高于平时工作压力几倍至几十倍的脉冲压力，系统管道产生剧烈的上下前后振动，并伴有来自系统远方的沉闷的管道振动噪声.如果不能及时采取措施，连续振动几次后，在水泵和制冷机进口处的软接就会很容易因为剧烈的撕扯而破裂，大量的高压水柱就会倾泻而出，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，甚至出现人身伤亡，后果十分严重.

2 空调循环水系统停泵水锤产生的原因分析

在大型空调水系统中，水锤现象产生的原因十分复杂.按水锤形成的外部条件，水锤现象可分为启泵水锤现象、停泵水锤现象和关阀水锤现象，其中以停泵水锤的危害最为严重.本文将以空调冷却循环水系统水锤为例对水锤产生的原因进行分析.

2.1 水锤产生的过程

在大型集中空调系统运行中，由于空调泵站工作人员操作不当、突然停电、外电网事故跳闸或其他原因导致水泵机组突然断电而停机，此时在泵站及管路系统中最容易发生的一种水锤现象，称之为停泵水锤.如图1所示，当水泵紧急关闭时，水泵的惯性制动快于系统中水流的减速，系统较大时，大量高速的水流由于惯性继续在管道内流动，而在瞬间停滞的水泵叶片端面处受阻，在点2处产生的高压如果不能及时释放，将形成巨大的水力冲击，其结果是像海浪碰到海岸一样产生回流，造成叶轮进水，点2处形成高负压，此时自点3始循环水出水快速回流，使得泵出口止回阀迅速关闭；当点2处的回流冲击一段距离后，又会在重力的作用下冲回叶轮端面，透过叶轮缝隙冲向水泵出口，将止回阀再次顶开，并因动能的抵消和撞击反弹再次产生回流，与此同时，循环水出水在回流撞击至止回阀阀板后也会再次改变流向，向供水方向冲击.如此反复进行脉冲，在止回阀两侧产生剧烈震荡，造成止回阀反复开停，形成严重的水锤现象.

图1 空调水系统示意图

由以上分析可以看出，停泵时，大型集中空调循环水系统水锤的产生与高扬程输送系统［1－2］不同，前者是由供水和回水在水泵叶轮和止回阀上的共同作用引起的，后者与供水的高速惯性回流撞击止回阀有关.

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.

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，停泵时积聚的能量就大，造成的冲击就越严重.因此，回水管道也不是越大越好，应以确保重力流速合适进行设计为好，一般水泵回水管流速设计为1.0～1.2m／s.

2.2.2 系统静压水位高

系统静压水位越高，回水管储存的能量就越大.一旦水泵突然停止运转，回水管内的水流不会立即停止，在高静压水位的作用下，产生的水力冲击就越大.在系统静压水位高于20m时，应该注意这个问题.

2.2.3 采用单侧离心泵

由于单侧离心泵叶轮的结构特点，停泵时，叶轮在失去动力的情况下快速停止，此时大量的水流无法顺利通过叶轮流向前方，叶轮对水流产生巨大的阻力，容易在叶轮的端面处产生较大的轴向水流推力而无法消除.其结果是形成反向回流，在叶轮端面产生负压，回流一段时间后，水流又返回叶轮端面处形成巨大的推力，如此反复，造成较强的水力脉冲.而轴流泵或双吸泵由于叶轮的安装结构特点，停泵后叶轮对水流的阻力小，水流不易在叶轮端面处产生较大的水力冲击，不会产生初始的大振幅水力冲击，就不易形成较大的水力脉冲，系统产生水锤的可能性就小.

2.2.4 水泵吸水管道阻力小

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，都对减弱水锤有一定的帮助.

2.2.5 系统管道设计安装不合理

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，是系统发生严重水锤现象的原因之一，而系统的自振频率和管道系统的安装固定方法密切相关.

根据上述分析，由于产生水力脉冲需要空间，开式系统提供了这方面的条件；而闭式系统由于水流一直充满系统，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.

3 水锤产生的压力分析

综合上述分析可知，停泵时在水泵叶轮上产生的巨大压力是水锤产生的最直接原因.分析计算水锤产生的压力的大小，对加深对相关问题的研究和对大型空调水系统水锤产生的危害的认识，进而在设计中采取必要的防水锤措施，具有重要意义.

3.1 水锤的传播速度

在均质管道输送清水，且不考虑水中所含空气情况下，水锤传播速度a按下式计算［5］：

式中：E0—水的弹性系数，取2.025×108kg／m2；

E—管壁材料的弹性系数，对于钢管，E＝2.06×

1010kg／m2；

δ—管壁厚度（m）；

D—管道内径（m）；

C1—不同壁厚、不同支承方式的系数.

对于薄壁管道（D／δ＞25），当管道只在上游端固定时：

式中：μ为管壁材料的泊松比，对于钢材，μ取0.3.

3.2 水锤产生的压力估算

水锤压力的估算值如下［6］：

（1）当两水柱再弥合时即出现水柱冲击，其压力升高值按下式估算：

式中：Δv＝v1－v2，v1为水柱弥合前的运动速度，v2为水柱弥合后的运动速度.

（2）当水泵出口设有止回阀，并在止回阀后水柱再弥合时，其压力升高值按下式估算：

式中：v为水柱冲击阀门或止回阀时的速度（m／s）.估算如下：

如果在管道水流开始倒流时止回阀关闭，则v＝v0（管道初始流速）；

如果在管道水流倒流后止回阀关闭，则v可按下式估算：

式中：Hα—出水池水面到止回阀门处的几何高度

（m）；

ΣΔhi—出水池水面到止回阀门处管道正常运行

时的水头损失（m）.

水锤现象产生的压力变化主要取决于管内流速的变化程度.停泵时，止回阀迅速关闭，管道内流速急剧变化，这时产生的压力可达到正常工作压力的很多倍，其破坏程度较为严重.

3.3 水锤压力计算举例

例如，某工程地下室水泵距屋顶冷却塔几何高度为51m，水泵吸水管道运行阻力损失为2mH2O，水泵吸水管流速为1.2m／s，水泵吸水管管径为DN250mm，系统工作压力为65mH2O.发生水锤时，止回阀如果在管道水流倒流后关闭，则计算出在系统中产生的水锤压力值为722mH2O，是平时工作压力的11倍，危害极大.

4 停泵水锤的防护措施

停泵水锤的防护措施有多种，根据工程实际情况，概括起来可分为如下几个方面：

4.1 泄压降锤

泄压降锤主要是通过管道的泄压设施降低停泵时产生的瞬时压力脉冲.其方法有如下几种［7］.

4.1.1 瞬时泄压

在水泵入口及止回阀出口处安装旁通管，并在旁通管上安装旁通泄压止回阀（见图1）.停泵时，水泵出口止回阀关闭，由于水流的惯性，管道内压力急剧上升，旁通泄压止回阀迅速打开，水泵被短路，管道内水流由于惯性通过旁通泄压止回阀继续在管道内循环流动，起到降压、消除水锤的作用.

4.1.2 泄水降压

通过泄水降压的方法可以避免系统压力迅速上升.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.

（1）压力泄压阀的工作原理与安全阀相似，可预先设定一定的压力值，当管道系统内压力超过设定值时，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，起到泄水降压消除水锤的效果；

（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、上阻式、侧阻式等.该阀根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整.在停电后3～7s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间根据水泵和管路调节，常在10～30s范围内；

（3）停泵水锤消除装置.该水锤消除装置能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌所引起的不规则水击波震荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护系统的目的.

4.1.3 气压罐定压

此方法在国内使用不多，在国外使用较为广泛.它利用气体体积与压力关系的特定定律工作.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，其作用和定压罐类似.

4.2 减速降锤

4.2.1 增加水泵惯量

水泵增加飞轮，会增大泵回转部分的惯性效应.选用转动惯量大的电动机，使水泵叶轮延长惯性运转时间而逐步减速，从而使系统中的水流逐步降速，减少水流对叶轮和止回阀的冲击，可有效消除停泵时的水锤现象.但这种方法需要一定的条件.

4.2.2 顺序关阀停泵

对多台同时运转的水泵，应顺序停泵，每台水泵的停止间隔时间应不小于5min.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，一般应不小于3min；有条件时不要关闭并联的其他水泵阀门，以增加泄压通道.单级对单泵系统运行时更应注意这种情况.

4.2.3 变频停泵

为克服突然停泵时产生的巨大压力，可对水泵采取变频措施，停泵时逐渐降低转速，从而降低水流的惯性冲击力，这样可以有效地消除水锤的影响.多台水泵并联运行时，对其中一台变频即可.

4.3 其他措施

（1）核算水锤压力，正确选择管道配件的工作压力，以免在误操作或者其他故障引起严重水锤时造成“水崩”危害；

（2）在系统换季首次冲水运行前，应确保排除管网系统中的空气，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［8］；

（3）增强管道支架的紧固程度，加大支架密度，适当提高管道壁厚，以降低共振效应，应付水流冲击对管网造成的危害.

（4）建立科学合理的开停机运行管理制度，严格按照程序操作.开停机时至少2人在场，互相配合，互相监督，确保无差错.

5 结 语

大型空调循环水系统停泵时产生的水锤具有较大的破坏性.为了有效地避免水锤事故的发生，系统设计人员应充分了解停泵时水锤产生的原因及危害，在设计时应对水锤压力进行计算与分析，选择合理的承压管路配件，压力较大时采取必要的防护措施.运行管理人员在系统运行过程中，应严格按照操作规程操作、管理，维护相关安全保护设施，以防止水锤现象的发生.

［1］ 顾赟.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，2010（11）：141－143.

［3］ Chun M H，Yu S O.A Parametric Study and a Guide Chart to Avoid Condensation－induced Water Hammer in a Horizontal Pipe［J］.Nuclear Engineering and Design，2000，201（2，3）：239－257.

［4］ 杨晋明.空调冷却水系统停泵水锤暂态分析［J］.建筑热能通风空调，2006（4）：34－38.

［5］ 燕在华.水锤的发生与防护［J］.节水灌溉，1999（4）：11－13.

［6］ 孟宪峰.输水管道工程水锤现象分析及防护设计［J］.21世纪建筑材料，2010（4）：69－72.

［7］ 梁其东，时伟，刘青.管道中水锤产生的原因及防控措施［J］.水利建设与管理，2007（11）：51－52.

［8］ 朱金安，唐传祥.给水系统中水锤的危害及防治措施［J］.化工给排水设计，1998（2）：42－44.

Analysis on the Cause of Pump－off Water Hammer in Large－scale Concentrated Air－Conditioning Circulating Water System and Controlling Measures

ZHOU Yi－de，LIU Lei，GAO Long，YANG Rui－liang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 45007，China）

The process and cause of the water hammer in air conditioning circulating water system as well as the severe undermines brought by it are analyzed in this paper from the view point of pressure pulse on pump and check valve caused by water return and water supply as pump fail.Furthermore，the basic method to estimate the water hammer pressure is given out.The measures to pravent and eliminate water hammer phenomenon are introduced from design and running.

air conditioning circulating water；system；pump－off water hammer；pressure of water hammer；controlling

TV13

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.05.010

1671－6906（2012）05－0042－04

2012－07－14

周义德（1957－），男，河南南阳人，教授.