建筑消防给水系统中停泵水锤的算法及防护措施

建筑消防给水系统中停泵水锤的算法及防护措施

Algorithms and prevention measures for stop-pump water hammer

in building fire protection water supply system

摘要：介绍了建筑消防给水系统中水锤的概念与危害；阐述了目前常用的停泵水锤计算方法，并对各种算法的优缺点和适用条件进行了比较；最后，提出了建筑消防系统中停泵水锤的防护措施。

Abstract：Concept and hazard of water hammer in building fire protection water supply system were introduced. Various algorithms currently used for computing stop-pump water hammer were analyzed, and a comparison of the advantages and disadvantages as well as the applicable conditions was made. Finally, prevention measures for

stop-pump water hammer in building fire protection water supply system were put forward.

关键词：消防给水停泵水锤防护措施

Key words: fire protection water supply, stop-pump water hammer, prevention measures

引言

水锤是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面液体流速发生了改变。这种改变可能是正常的流量调节，也可能是事故而使流量堵截，从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌。消防给水管网内的水体平时处于静止状态，检查测试或临警使用

时水体流动，管网压力波动大，易产生水锤现象。在管道输送液体时，闸阀的启闭或水泵的启动与停机，造成管道中流速的突然变化和压力的急剧升高与降低是经常发生的。水锤事故给人们的正常生活和生产带来了严重的影响和损失。从记录上的水锤事故调查可看出，多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂，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，重则酿成泵房被淹毁、消防系统无法作用等严重事故。因此在设计建筑消防给水系统时必须认真研究事故水锤的危险性，分析水锤压力的变化过程，采取合理、可行的防护措施，来确保压力管路的安全运行。

1904年，Joukovsky【1】通过试验与推导，首次提出了直接水锤压强的经典计算公式，这是第一次能用公式计算水锤压力，这使得水锤的研究可以与实践相结合。此后随着计算机的不断发展，有关水锤的数值计算方法也在不断完善和发展【2-3】，此外，由于有限元理论的不断发展和应用，国外有些学者开始将有限元方法【4】应用到复杂系统的瞬变流计算。P. W.France采用有限元方法求解突然开启阀门情况下的调压井水位波动。Jorge L.Balino【5】用微分摄动法对管网水锤的敏感性进行研究。随着水锤理论和计算方法的不断完善，对水锤的研究开始与具体的工程实践密切结合，即由理论和方法的研究转向具体工程的瞬变特性分析与水锤危害的控制。本文针对目前国内外使用广泛的各种水锤算法进行归纳和对照，对各种算法的优缺点和适用条件进行了比较，最后，针对目前在建筑消防系统中的水锤防护要点进行了阐述。

1 停泵水锤的算法分类

事故停泵的水锤计算一般分有阀和无阀两种情况。通常，只有在通过水锤计算，确认它允许机组倒流逆转且不发生危害的情况下才允许取消逆止阀。然而安装了逆止阀保护了机组，却增大了管道系统的水锤压力，从而对管路造成威胁。此外，水锤计算还要校核管路降压时是否会存在水柱分离现象，即要避免或排除在管路突起部位发生弥合水锤的可能性。

目前常用的水锤计算方法主要分为两类：第一类方法为精确计算类算法，该类算法计算结果比较精确但是计算过程复杂，典型算法有数解法、图解法、电算法；第二类为简易计算，常常在只需要掌握粗略结果时使用，方法比较快速、实用和有效，主要是依据大量图表，它是集水锤大量计算成果（经过验证了的）；并绘制成各种图表，供水锤计算时直接查取。

2 停泵水锤算法

2.1 停泵水锤精确计算类算法

停泵水锤精确计算类算法有很多，如：图解法、数解法和电算法。其原理均是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。

运动方程式为：

02//////1/2=?+???+???+??g V D f x V g V t V g x H （1） 连续方程式为：

0////2=???+??+??x V g a x H V t H

（2）

式中，H 为管中某点的水头，V 为管内流速，a 为水锤波传播速度，x 为管路中某点坐标，g 为重力加速度，t 为时间，f 为管路摩阻系数，D 为管径。

通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程：

)/()/(0a x t F a x t F H H ++-=-

（3）

)/(/)/(/0a x t F a g a x t F a g V V +?--?=-

（4）

其中，)/(a x t F -为直接波；)/(a x t F +为反射波。

在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴),(V H 中的表现形式为射线，即特征线。它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H 与流速V 之间的相互关系。为了方便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式：

0)/())((22010221=?-+++-=τβv H x A A v H BQv PM F n （5） 0)())((03010222=--+++=βββC m x B B v F

（6）

式中：β为m N N /（实际转速/ 额定转速），v 为n Q Q /（实际流量/ 额

定流量）。

通过上述两式的联立，采用牛顿-莱福生迭代公式，可以解出v 和β的近似数值。现行的水锤计算方法就是基于上述原理 。

2.2 停泵水锤简易类算法

这种方法计算简单、可靠，可以快速得出水锤过程中机组或管道的各种最不利参数，因此工程上应用十分广泛。但是需要注意，这些图表是在不同的计算条件下得出的，因此使用时要注意其特定条件。

2.2.1 阿列维（Allivei）算法

该方法适用于关阀水锤计算，提出了简单管道系统末端直线关闭情况下产生的水锤压力变化的计算曲线图表。图表中选用了管道特征常数ρ为横坐标，无量纲关阀时间θ为纵坐标，绘制出最大压力上升率

ξ的等值线。计算时可根据管道的特征参量和关阀时间计算出ρ和m

θ值，再查阅相应的曲线图，读取mξ值，然后计算最大水锤压力。2.2.2 魁克（Quick）法

魁克绘制了末端阀直线关闭情况下的最大水锤压力上升的计算曲线图表，选取ρ为横坐标，纵坐标采用最大压力上升率

ξ与ρ2的比

m

值来表示；并以无量纲关阀时间θ作为参变量，绘制等值线。

2.2.3 帕马金（Parmakian）算法

帕马金通过对停泵水锤的计算分析认为，事故停泵过程中的最不利参数，主要取决于水泵机组的惯性、管道的特性和水泵的全特性。水泵机组的惯性可用参量)

K来表示，管道的特性可用ρ2来表

L

/

2(a

示。对于一已知水泵的全特征曲线，通过大量的水锤计算，根据不同的)

K和ρ2值的计算结果，可以绘制该法的曲线图。当用帕马金L

/

2(a

曲线图计算事故水锤时，首先应根据已知数据计算出ρ2和K的值，

然后由该算法图表查出水泵出口和管道中点的最大降压水头和最大

升压水头等参数。

2.2.4 富泽清治算法

日本富泽清治【6】以实际的输水管道为研究对象，对数百个工程进行了水锤计算，并绘制出了水锤计算曲线图。该算法充分考虑了管道摩阻的影响，采用μK为横坐标（K为水泵的惯性系数，μ为水锤相），采用水锤过程中最低降压水头（即实际产生的最低压力水头和水泵额定扬程之比)和开始倒流的相对时间τ（实际时间与水锤相时间μ之比）为纵坐标绘制的，并以管道摩阻占水泵工作扬程的0%、20%、40%、60%、80%这五种情况分别考虑。

该法认为停泵后管道中水锤压力的降低，直接影响倒流开始后水锤压力的升高，由于它是分析研究管道是否产生水柱分离的主要依据，因此它是以最低压力水头作为绘制计算曲线的重要依据。

3 各种算法优缺点比较

精确类水锤计算方法优势在于计算结果精确可靠，缺点在于计算过程复杂，难度较大，不适合于工程应用。

阿列维法和魁克法都只适用于关阀时的水锤计算，而且两种方法均没有考虑管道的摩阻损失，故只适用于摩阻较小以致可以忽略的情况。

帕马金算法的优点在于不仅能查出水泵出口和管道中点处的最大降压水头和最大升压水头，而且还能得出水泵的最大倒转转速、水泵开始倒流时间、水泵转速为零的时间、水泵到达最大倒转转速的时间等参数。另外，帕马金算法不仅适用于无阀的水锤计算，而且还能估

算出水泵出口装有逆止阀时的停泵水锤参数，可以用来估算任何水泵系统出水管的水锤值。但此种算法仍没有考虑管道的摩阻损失，因此对于长管道、大摩阻的管路系统，此法适用性差。

富泽清治算法另辟溪径，他忽略管道特征常数 ，直接从实践出发，结合工程实际经验而得出图表。与前几种方法相比，其优点在于该法得出的数据更接近工程实际，理论和实际结合得更加紧密。另外，该方法充分考虑了管道摩阻，适用于长管道系统的水锤计算。当涉及到管路水柱分离计算时，该方法应首选。此简易算法的缺点在于计算图表仅给出了摩阻占工作扬程为0%（即忽略损失）、20%、40%、60%、80%五种情况，当阻力占扬程的百分数不是上述数值时，需要插值，从而带来不便和误差。

4 消防系统水锤防护措施

因为停泵水锤可能导致泵站和输水系统发生严重事故，所以有必要根据具体情况采取相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力。目前为止，已经有多种停泵水锤防护措施，大致可以分为补水（注气）稳压、泄水降压两类。

补水（注气）稳压可防止产生水柱分离或升压过高的断流弥合水锤，属于这种类型的有双向调压室、单向调压室及气压罐，主要包括双向调压塔、单向调压塔及气压罐；泄水降压可避免压力陡升，属于这种类型的有停泵水锤消除器、缓闭止回阀、爆破膜片等，主要包括水锤消除器、缓闭止回阀以及爆破膜片。

另外在工程设计中，还可考虑其他类型的水锤防护措施：适当增

加管道直径、壁厚，降低输水管线的流速，这样可以在一定程度上降低水锤压力；减少管道长度，由一个泵站变为两个泵站，用吸水井把两个泵站衔接起来；在输水管线布置时应尽量避免出现坡度剧变的情况。

5 总结

本文介绍了建筑消防给水系统中水锤的概念及危害，对目前国内外停泵水锤的主要算法进行分类和归纳阐述，对各种算法的优缺点和适用条件进行了比较，最后，针对目前的建筑消防给水系统对停泵水锤防护要点进行了阐述。

参考文献：

[1] Allievi L. Theory of water Hammer, (translated by E.E.Halmos), Riccardo Garoni, Rome,1925, 45 (2):50-56

[2] C. Taylor and K. Morgan. Computational techniques in transient and turbulent flow v. 2 Recent advances in numerical methods in fluids, Swansea:Pineridge Press, 1981, 89-96

[3] Ted Belytschko, Thomas J. R. Hughes. Computational methods for transient analysis, Amsterdam, New York:North-Holland, New York, 1978, 55-59

[4] P. W. France. Finite element solution for mass oscillations in a surge tank on sudden valve opening, Advances in Engineering Software, 1996, 26(2):185-187

[5] Jorge L. Balino, Axel E. Larreteguy,The differential perturbative

method applied to the sesitivity analysis for waterhammer problems in hydraulic networks, Applied Mathematical Modeling, 2001, 45(5):1117-1138

[6] 日本农业土木事业协会. 泵站工程技术手册[M]. 北京：中国农业出版社，1998: 396-399.