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水锤泵工作原理
水锤泵是一种利用水锤效应来产生压力能的水泵，其工作原理主要是利用水流
的惯性和阻尼效应来产生压力。
在水泵工作时，当水流速度突然改变或者停止时，会产生水锤效应，从而产生较大的压力波动，这种压力波动可以被利用来产生压力能，用于水泵系统的压力调节和控制。
水锤泵的工作原理可以分为两个阶段来理解，水流加速阶段和水流减速阶段。
在水流加速阶段，当水泵启动时，水流开始加速流动，此时水流的动能逐渐增加，同时水流的惯性也在增加。
当水流达到一定速度后，突然被阻挡或者遇到阻力时，水流的动能不能立即消失，导致水流产生压力波动，这就是水锤效应的产生。
在这个阶段，水锤泵利用水流的惯性和动能来产生压力能。
在水流减速阶段，当水泵停止工作或者水流遇到阻力时，水流的速度逐渐减小，但是水流的动能并不能立即消失，导致水流产生负压波动，这同样可以被利用来产生压力能，用于水泵系统的压力调节和控制。
通过上述两个阶段的工作原理，水锤泵可以实现对水泵系统的压力调节和控制，从而保证水泵系统的安全稳定运行。
总的来说，水锤泵利用水流的惯性和阻尼效应来产生压力波动，从而产生压力能，用于水泵系统的压力调节和控制。
这种工作原理使得水锤泵在水力工程、石油化工、冶金等领域得到广泛应用，成为一种重要的压力能装置。
管道停泵水锤模拟分析及水锤防护措施建议摘要：本文以长距离输水管线为研究对象，建立水力分析模型，对不同运行工况下停泵水力过渡过程进行分析研究。
主要分析无防护措施停泵水锤水力模型及为消除或减小该现象而采取防护措施后的水锤水力模型。
通过对关阀时间、排气阀，水泵惯量等各种变化工况进行模拟停泵水锤分析，结果表明排气阀可以有效的降低管道负压，关阀时间和水泵惯量对管道正压有调节作用但是对管道负压的调节作用很小。
该模拟分析结果可以缩短泵站和输水管线的设计时间，优化供水工程的投资建设，为泵站和长距离输水管线的安全运行和优化设计提供技术依据。
关键词长距离输水停泵水锤模拟分析防护措施1 引言水锤分析是基于一种水中压力波传导理论的非稳态瞬变流分析技术，对于各种管路系统在水流突变状况下的安全防护具有重要意义。
对于静扬程高、距离长、管道起伏频繁、流速大的长距离输水管线系统而言，在突然停泵、启泵、关阀、开阀等过程中，由于操作不当、防护设施配置不合理或失效等原因引起管路中水流的瞬间急剧变化。
因为管道较长，管线前面的水流速度还是正常的供水流速，而水泵处的水流速度会减小直至为零，因此管线中的水柱会被拉断，产生真空负压；当管道中水柱流速下降，会在自身的重力和负压吸引力的双重作用下产生水柱撞击，形成水锤。
当这种局部压力骤升或突降超过管材、阀门、水泵等设施的承受能力时，就会造成管道爆裂、变形、水泵电机损坏等灾难性事故。
因此，对于长距离输水管线要求必须进行水锤计算分析。
当前，随着水资源短缺和地域分布不均加剧，长距离输水项目建设日益增多，且大多具有距离长、口径大的特点，随着输水距离的增大，沿途地形、地质等也呈日益复杂化趋势。
通过计算机模拟不同工况条件下的的管道压力变化，针对模拟分析结果采取相应的防护措施，确保了供水系统的安全稳定运行。
本文依托某电厂的用水管线，模拟分析了排气阀的设置，水泵的关阀时间，水泵惯量及液压气动罐位置对管线瞬变流动压力波的影响。
关于停泵水锤的分析及防护摘要：介绍了停泵水锤的危害及其防护措施，并且介绍了在具体的技术条件下，通过电算法这种水锤计算来正确进行停泵水锤分析、判断停泵水锤危害，从而采取有效地防护措施来消除其危害。
关键词：停泵水锤防护措施特征线法随着城市化建设的进展，各类泵站也日益增多，而如何保证泵站及管路系统安全运行，免遭水锤破坏，越来越重要。
在压力管流中因流速剧烈变化引起动力转换，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，称为水锤现象。
水锤是流体的一种非恒定流动，及液体运动中所有空间点处的一切运动要素（流速、加速度、动水压强、切应力和密度等）不仅随空间位置而变，而且随时间而变。
1. 停泵水锤的危害在安装有离心泵的水泵站中，因突然事故断电或其他原因而突然（开阀）停泵时，则在压水管内首先产生压力下降；随后视流速大小及管路系统情况而产生程度不同的压力上升，即停泵水锤。
泵站中发生水锤事故的现象，较为普遍，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区，尤为突出。
根据以前各地区有记录的水锤事故调查可看出：泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管破裂，止回阀的上顶盖或壳体被打坏大量漏水，造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹没，泵船沉没等严重事故。
个别的，还因泵站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。
在农田灌溉泵站中，常因扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚于给水工程系统，人们还特别将泵站水锤的危害列为泵站三害（即水锤、泥砂、噪声）之一。
2. 停泵水锤防护措施泵系统中停泵水锤这一水力过渡是由降压开始的。
因此，目前已有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的水锤升压问题，其出发点多数是建立在对停泵水锤危害的早期防治上并大致可归纳为四种类型：2.1 注水（补水）或注空气（缓冲）稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。
属于这种类型的有（双向）调压塔、单向调压塔或单向调压（水）池、空气罐以及注空气(缓冲)阀等。
多级串联加压泵站供水系统优化调度研究作者：蒋绍阶， 陈金锥， 张智， Jiang Shao-jie， Chen Jin-zhui， Zhang Zhi作者单位：蒋绍阶,张智,Jiang Shao-jie,Zhang Zhi(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆,400045)， 陈金锥,Chen Jin-zhui(重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆,400045)刊名：给水排水英文刊名：WATER & WASTEWATER ENGINEERING年，卷(期)：2006,32(11)1.李继珊;刘光临;潘为平多级泵站优化调度及经济运行研究[期刊论文]-水利学报 1990(12)2.邓先礼最优化技术 19983.Shamir U Computer applications for real-time operation of waterdistribution systems 19851.李学勤山西引黄工程大型多级泵站串联运行稳定性研究[期刊论文]-水力发电2004,30(1)2.黄良沛.阳小燕.康煜华.HUANG Liang-pei.YANG Xiao-yan.KANG Yu-hua基于遗传算法的水泵机组优化调度研究[期刊论文]-数学的实践与认识2006,36(4)3.姜峰.王国良.吴振奇.JIANG Feng.WANG Guo-liang.WU Zhen-qi泵站供水系统的优化调度方法探讨[期刊论文]-水科学与工程技术2008(z1)4.毛征宇.黄良沛.MAO Zheng-yu.HUANG Liang-pei多维编码遗传算法在城市供水管网优化调度中的应用研究[期刊论文]-湖南科技大学学报（自然科学版）2007,22(1)5.熊晓明.刘光临.Xiong Xiaoming.Liu Guanglin梯级泵站的实时优化调度研究[期刊论文]-农业机械学报2005,36(12)6.张承慧.夏东伟.李洪斌.李少远城市水工业系统泵站优化调度问题建模方法研究[期刊论文]-控制与决策2004,19(5)7.张利娟.俞亭超.ZHANG Li-juan.YU Ting-chao遗传算法在供水系统原水优化调度中应用[期刊论文]-低温建筑技术2011,33(6)8.杨金榜并、串联式二级抽水泵站的应用[期刊论文]-水利科技与经济2004,10(2)9.田一梅.李江涛.戴雄奇.李鸿遗传算法在供水系统优化调度中的应用[期刊论文]-中国给水排水2001,17(12)10.杨坤.翟金刚.YANG Kun.ZHAI Jin-gang基于遗传粒子群算法的供水系统优化调度[期刊论文]-鲁东大学学报(自然科学版)2010,26(2)引用本文格式：蒋绍阶.陈金锥.张智.Jiang Shao-jie.Chen Jin-zhui.Zhang Zhi多级串联加压泵站供水系统优化调度研究[期刊论文]-给水排水 2006(11)。
一级泵变流量系统冷水泵变频运行仿真分析
刘国林;刘羽松;韩宏权
【期刊名称】《制冷与空调》
【年(卷),期】2018(018)012
【摘要】在一级泵变流量系统中,冷水泵的变频控制通常采用定压差控制策略,在冷负荷较低的情况下,存在冷水泵的运行能耗高的问题.本文搭建广州某典型办公楼建筑的集中式空调系统仿真平台,通过仿真分析发现,在冷负荷较低的情况下,定压差控制下的冷水泵的扬程和功率偏高,有降低的空间.针对这些问题,提出一种串级控制策略.对传统的定压差控制策略和串级控制策略进行仿真分析与比较,结果显示,串级控制运行的冷水泵能耗节约17.6％.
【总页数】7页(P64-70)
【作者】刘国林;刘羽松;韩宏权
【作者单位】珠海格力电器股份有限公司;珠海格力电器股份有限公司;珠海格力电器股份有限公司
【正文语种】中文
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水锤泵工作原理水锤泵是一种利用水锤效应来实现水泵输送水的设备，其工作原理主要是利用水锤效应产生的压力来推动水流，从而实现水的输送。
水锤泵通常由水泵、阀门和管道等部件组成，通过这些部件的协调配合，实现了水的高效输送。
首先，水泵起到了抽水的作用。
当水泵开始工作时，它会利用机械力将水从水源处吸入，然后通过管道输送到需要的地方。
水泵的作用是将水推动到管道中，形成一定的流速和流量。
其次，阀门的作用非常重要。
阀门可以控制水流的速度和压力，从而保证水流的稳定输送。
在水泵将水推送到管道中后，阀门可以根据需要来调节水流的速度和压力，从而保证水的稳定输送。
最后，管道是水泵输送水的通道。
管道需要具备一定的强度和密封性，以保证水流不会泄漏或者受到外界干扰。
同时，管道的设计也需要考虑水流的阻力和摩擦力，以减小能量损失，保证水流的稳定输送。
总的来说，水锤泵的工作原理是利用水泵将水推送到管道中，然后通过阀门的调节来控制水流的速度和压力，最终实现水的稳定输送。
这种工作原理在工程实践中得到了广泛的应用，可以满足不同场合对水流稳定输送的需求。
除了以上的工作原理，水锤泵还需要注意一些相关的技术参数和安全措施。
比如，在设计和使用水锤泵时，需要考虑水泵的功率和效率，以及管道的材质和尺寸等因素。
同时，为了保证水流的稳定输送，还需要在水锤泵系统中设置一些安全阀和控制装置，以防止因为水流突然中断或者压力突然增大而造成设备损坏或者安全事故。
综上所述，水锤泵是一种利用水锤效应来实现水泵输送水的设备，其工作原理是通过水泵、阀门和管道等部件的协调配合，实现了水的高效输送。
在工程实践中，水锤泵的工作原理得到了广泛的应用，并且需要注意相关的技术参数和安全措施，以确保水流的稳定输送和设备的安全运行。
收稿日期:19970526刘光临 武汉水利电力大学副校长 教授 博士导师,430072 武汉市刘梅清 武汉水利电力大学流体机械及工程系系主任 副教授多泵并串联复杂泵系统水锤分析及其控制刘光临 刘梅清 【摘要】 针对万家寨引黄工程长管道、高扬程、多级泵站串联、各泵站多台机组并联的复杂泵系统结构,采用特征线法,建立了边界条件的数学模型,计算分析了全部及部分机组事故停泵水锤过程,研究了采用两阶段关闭阀与调压塔配合进行水锤控制的可靠性问题,为工程设计提供了技术依据,为系统优化设计得出了有益的结论。
叙词:水泵系统 水锤 分析 控制1 系统概况及其布置万家寨引黄工程包括总干线、南干线和北干线3部分,引水线路全长328km 。
总干线西起黄河上游的万家寨水库,引水线路以输水隧洞为主,设计总扬程为364m,设计引水流量为48m 3/s 。
总干线共3级泵站,第一、二级泵站采取有压管道直接串联的结构将水引入申同嘴水库,各安装10台设计扬程142m 、单泵流量6.45m 3/s 的水泵机组;第三级泵站由申同嘴水库取水,安装10台设计扬程80m 、单泵设计流量为6.45m 3/s 的水泵机组。
在总干第三级泵站的出口设有分水闸,分为南干线与北干线,北干线供水至大同,南干线供水至太原,南北干线引水流量各为24m 3/s,南干线有两级泵站,北干线有一级泵站,系统布置如图1所示。
图1 万家寨引黄工程系统图1998年9月农业机械学报第29卷第3期2 数学模型及计算方法2.1 多泵并联水泵端的边界条件多泵并联水泵端的边界条件如图2所示,设水泵并联台数为N ,失电停泵的台数为m ,则由特征线法推求的水头平衡方程可表示如下F 1=C P 1-C M +B S 1Q R v 1+H R (A 21+v 21)(A 01+A 11x 1)-B R Q R [mv 1+(N -m )v 2]-$H 0v 1ûv 1û/S 2=0(1)F 2=C P 2-C M +B S 2Q R v 2+H R (1+v 22)(A 02+A 12x 2)-B R Q R [mv 1+(N -m )v 2]-$H 0v 2ûv 2û/S 20=0(2)式中 F 1——失电水泵的水头平衡方程 F 2——继续运行水泵的水头平衡方程 v 2——继续运行水泵的无量纲流量C P 、C M ——相连管道的特征参数 B S 1、B S 2——水泵进水侧管道特性常数B R ——水泵出水侧管道特性常数图2 并联水泵的边界条件 A 1、v 1——失电停泵的无量纲转速和无量纲流量 H R 、Q R ——水泵的额定扬程与额定流量 S ——水泵出口阀的无量纲瞬态开度系数 A 01、A 11、A 02、A 12——水泵全特性插值系数 $H 0——初始过阀水头损失 S 0——水泵出口阀初始状态的无量纲开度系数 x 1、x 2——水泵全特性曲线中瞬态工作点的横坐标,下标1表示停止运行的水泵,下标2表示继续运行的水泵失电停泵的机组由于惯性的作用及水流的作用转速瞬态变化,由动量矩原理可推求得到水泵机组的惯性方程为F 3=(A 21+v 21)B 0-B 1(P +ar ctan v 1A 1)+B 0-C 31(A 0-A 1)=0(3)式中 C 31——水泵机组的惯性特征参数 B 0、B 1——插值系数 B 0——计算时段开始时刻的水泵无量纲转矩由式(1)、(2)、(3)组成的方程组,是一组非线性的代数方程,未知参数为泵无量纲转速A 1及无量纲流量v 1和v 2,可由New ton-Raphso n 迭代方法求解。
图3 调压塔边界条件物理模型2.2 调压塔的边界条件万家寨工程利用隧洞开挖的竖井作调压塔,采用圆筒式结构,由于多台水泵机组共用一个调压塔,因此其进、出水管道的数目可以是若干条,考虑到对调压塔的型式进行比较分析,数学模型概化了多种型式,包括变截面式、溢流式等,概化的物理模型如图3所示。
设调压塔进、出水侧连接管道的数目分别为m 和n ,将连接管道进、出口损失用等效摩阻表示,则由相连管道的水锤特征线方程,以及连续性方程,可得到以下方程组60农 业 机 械 学 报1998年H P 1,N S (i )=C P (i )-B R Q P 1,N S (i ) i =1,2,…,mH P 2,1(i )=C M (i )-B S Q P 2,1(i )i =1,2,…,n H P 1,N S (i )=H P 2,1(j )=Z Pi =1,2,…,m j =1,2,…,n £m i =1Q P 1,N S (i )-£n j =1Q P 2,1(j )-m 0b 2g H 3/20=A S d zd t(4)式中 A S ——调压塔断面面积 Z P ——调压塔水面的瞬态高度 m 0——溢流堰流量系数b ——溢流堰宽度 H 0——溢流堰顶瞬态水头,H 0=H P =H k H k ——溢流堰堰顶高程(1)当Z P ≤H k 时,调压塔在水力过渡过程中的水位不超过调压塔溢流顶高程,不产生溢流。
对式(4)中d z d t 进行有限差分近似,即d z d t =$z $t =H P -H $t ,式(4)可写作B R õQ P 1,N S (i )+B S õQ P 2,1(j )=C P (i )-C M (j )£m i =1Q P 1,N S (i )-£n j =1Q P 2,1(j )+AS $t B R õQ P 1,N S (i )=A S $t[C P (I )-H ] (i =1,2,…,m ;j =1,2,…,n )(5) 式(5)为m +n 个线性方程组成的方程组,未知参量为Q i 、Q j ,可求解出其值后,代入式(4)分别求出H P (i )和Z P (i =1,2,…,m ;j =1,2,…,n )。
(2)当Z P >H k 时,调压塔的水位超过溢流堰顶高程,流量连续性方程应考虑通过溢流堰的溢流流量Q f =m 0b2g H 3/20,将C +特征线方程代入溢流量表达式,则有Q f =m 0b2g [C P (I )-B R Q P 1,N S (I )-H k ]3/2 I =1,2,…,m (6) 将式(6)代入式(4),并消去各瞬态压力水头项,则得到包括有各瞬态流量项的非线性方程组B R õQ P 1,N S (i )+B S õQ P 2,1(j )=C P (i )-C M (j )£m i =1Q P 1,N S (i )-£n j =1Q P 2,1(j )-m 0b 2g [C P (I )-B R Q P 1,N S (I )-H k ]3/2+ AS $t B R õQ P 1,N S (I )=A S $t [C P (I )-H ] (i =1,2,…,m ;j =1,2,…,n )(7)3 计算结果及其分析根据万家寨引黄工程总干线一、二级泵站的各种运行工况,对万家寨水库和申同嘴水库分别为最高水位、最低水位及设计水位等组合情况进行了水力过渡过程分析,求出水泵的最不利运行参数,管道沿线的最大、最小压力值以及调压塔的涌浪特性。
3.1 水泵机组的过渡过程事故停泵过程中,水泵机组最大倒转转速、最大倒泄流量及最大倒转转矩等参量是水泵和电机设计制造的依据,水泵处的最大及最小压力是泵、管道、阀门的设计依据。
对各种最不利工况的计算分析表明,在申同嘴水库为低水位、万家寨水库为高水位组合条件下,如果一、二级泵站全部机组事故停泵,水泵出口阀不关闭,将产生最大的水锤压力,水泵出口处的最大压力水头为182.01m ,而最大倒泄流量则出现在申同嘴水库为高水位,万家寨水库为低水位、低扬程61第3期 刘光临等:多泵并串联复杂泵系统水锤分析及其控制的相应工况,水泵在事故断电后2.5s 流量为零;最大倒泄流量Q max =8.06m 3/s ,无量纲流量v =1.25,出现时间为T 1=8.5s,水泵转速为零的时刻T 2=8.73s;水泵最大倒转转速出现的时刻为T 3=12.3s,最大倒转转速n max =798r/m in,相当于最大无量纲转速A = 1.33;水泵的最大无量纲转矩B =1.15。
3.2 水泵出口阀最优关闭程序的确定计算分析表明,在事故停泵水力过渡过程中,水泵出口阀的关闭程序对水力过渡过程中沿管线各特征点的水锤压力具有重要的影响,因此确定水泵出口阀的最优关闭程序对防止水锤压力的急剧升高十分重要。
计算结果表明,由于分别在一级泵站和二级泵站的进出口设置了调压塔,可以很快地吸收停泵及关阀产生的水锤升压,因此在一定范围内进行阀门调节,对调压塔水位的变幅及管道压力的变化影响较小,其产生最大、最小压力的时间相应地向前及向后推移,因此有利于阀门调节的控制。
通过大量计算,确定阀的最优两阶段关闭程序为:快关时间t 1=5.5s ,快关角H1=60°;慢关时间t 2=14.5s ,慢关角H =30°;关闭的总时间为20s ,快关及慢关的时间控制可允许的误差范围为±1s 。
在此范围内,系统不会产生异常大的水锤升压,通过水泵机组的倒泄流量很小,机组的倒转转速在水泵额定转速的30%以内。
3.3 调压塔断面尺寸的确定调压塔对泵系统水锤压力的控制作用在于,当管道压力急剧升高时,管道中的水流入调压塔,减缓压力升高;当管道中的压力急剧降低时,特别是当管道压力降低至负压值,接近水的汽化压力产生水柱分离时,调压塔可迅速给管道补水,防止降压及水柱分离。
调压塔的断面尺寸可以有多种组合,对不同组合下的断面尺寸进行模拟计算,可以求出调压塔中水位波动的极限振幅值Z max 及Z min ,以及相应的水力过渡过程线。
图4为调压塔涌浪的极限值与调压塔直径变化关系曲线。
从图中可以看出,随着断面直径D 的增加,调压塔的最高水位Z max 相应减小,而最低水位Z min 相应增加,两者趋于一极限稳定值。
图4 调压塔水位变幅Z 与直径D 的关系曲线(a)1号调压塔 (b)2号调压塔 (c)3号调压塔 (d)4号调压塔确定调压塔的尺寸,主要考虑的因素:¹调压塔的经济性;º调压塔的水位变幅;»当管道中产生低压进行补水时,调压塔是否出现放空断流现象。
根据计算结果,确定1、2、3号调压塔的直径为12m,4号调压塔的直径为16m,其相应的调压塔结构尺寸及其水位变幅如下页表所示。
3.4 调压塔对泵系统的水锤防护作用由以上计算分析可以看出,调压塔与两阶段关闭阀联合作用,能有效地降低水锤压力,将管道中的水锤压力转化为调压塔中水体的涌浪,当管道中产生压力降低乃至形成负压时,可迅速地给管道补水,防止产生水柱分离及其再弥合现象。
