水錘的產生及有效規避

李永紅 段世良 郭孟彩

摘 要：工廠生產過程中供水系統的安全是保證工廠連續高效生產的重要環節。水錘問題是工廠供水系統中經常遇到的問題，誘發原因可能存在于設計、安裝、使用的各個過程。尋求水錘問題的有效規避辦法，從理論和實際應用中整理出一套完整解決方法，保證供水系統的安全高效，顯得很有必要。本文將結合一個具體工程論述相關問題。

關鍵詞：水錘;連續高效;安全;規避

中圖分類號：TV134 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0045-02

Water Hammer Generation and Effective Avoidance

LI Yonghong DUAN Shiliang GUO Mengcai

（Henan Huadong Industrial Control Technology Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The safety of the water supply system during the production process of the factory is an important part of ensuring continuous and efficient production of the plant. The water hammer problem is a common problem encountered in the factory water supply system， and the induced causes may exist in various processes of design， installation and use. It is necessary to seek an effective evasion method for the water hammer problem and to sort out a complete solution from the theory and practical application to ensure the safety and efficiency of the water supply system. This paper mainly discussed the related problems with a specific project.

Keywords： water hammer;continuous high efficiency;safety;avoidance

1 總體敘述

在有壓力管路中，由于某種外界原因，如在突然停電或者閥門關閉太快時，由于壓力水流的慣性，產生水流沖擊波，就像錘子敲打一樣，因此叫作水錘。水流沖擊波來回產生的力，有時會很大，甚至能破壞閥門和水泵。鑒于以上特點，在進行設計、安裝、使用過程中要注意規避，采用科學的手段最大限度地保證供水系統的安全[1]。

2 工程實例

筆者借用一個典型的工程實例作具體敘述。

2.1 工程涉及內容

工程涉及設備包括8臺供水泵進口蝶閥、8臺160kW供水泵、8臺供水泵出口單向閥、8只供水泵出口壓力檢測儀表、8臺供水泵出口蝶閥、1只供水泵出口母管壓力檢測儀表以及1套變頻降壓啟動控制系統。8套供水泵閥組單獨工作，出口連接供水母管，根據生產需要選擇相應套數的泵閥組投入工作。

2.2 設備控制方案

由于供水泵功率為160kW，啟動電流大，對電力系統的沖擊也很大。為了保證電力系統的安全，在進行控制設計時綜合采用了降壓啟動原理和變頻器的工作特點，主控制回路采用變頻回路啟動、在運行水泵達到一定轉速后切換到工頻回路運行。公用部分設計一臺160kW施耐德變頻器、一臺變頻器輸出接觸器，每一單套設備設計一臺啟動接觸器、一臺運行接觸器。每臺泵啟動時受自身啟動接觸器狀態、運行接觸器器狀態、熱保護狀態、公用部分變頻器以及變頻器輸出接觸器狀態的限制[2]。

2.3 邏輯控制設計

本系統采用PLC控制器統籌管理8套設備的啟動、切換、停止，主要涉及以下內容。

①變頻器與PLC之間信息交互采用MODBUS TCP網絡通信。通過網絡通信，PLC對變頻器狀態信息進行實時采集，控制程序中需要使用的變頻器狀態信息包括運行電流、備妥狀態、故障狀態以及運行狀態。同時，PLC在對外部環境進行綜合判斷后，通過網絡通信，實現控制變頻器。在變頻器無故障、備妥、停止達到60s后，控制邏輯中認為變頻器具備開機條件。

②啟動接觸器、運行接觸器之間存在鎖定關系，在進行控制原理設計時，當啟動接觸器得電吸合時，運行接觸器不能得電吸合。

③變頻器、變頻器輸出接觸器、啟動接觸器向運行接觸器切換時，需要設置一個合適的切換時間，避免出現弧光短路和電機運行速度的過度衰減。

由于只有公用變頻器能啟動回路，因此，PLC需要統籌協調8套設備對公用變頻器、變頻器輸出接觸器的調用。PLC要采集8套設備各自的啟動按鈕信號、啟動接觸器、運行接觸器以及熱保護狀態，結合公用變頻器狀態、變頻器輸出接觸器狀態。當需要對某一套設備進行啟動時，需要保證自身沒有熱保護故障、變頻器啟動回路具備開機條件時，其他設備不能處于啟動狀態，否則進行設備啟動無效。

④設備處理：供水設備在投入運行前需要進行泵體、管件、連接件的密封檢查;確認出口閥的關閉狀態;單向閥的方向確認;打開進口閥，進行泵體排氣。完成上述操作后，才能對控制系統送電，進行設備調試。

⑤啟動注意事項及正常流程：檢查各相關器件的工作狀態，確保狀態正常;就地啟動，此時變頻器均勻加速，直至到達工頻50Hz;觀察供水泵出口壓力表的壓力值，直至泵體出口壓力大于或等于輸送母管壓力表壓力值時，打開供水泵出口閥門。

⑥通過借鑒以前的工程經驗，在設計時進行了規避。但是，調試過程中仍然產生了水錘，具體現象如下。操作人員按常規進行閉閥起泵，也就是在供水泵啟動前出口閥門關閉;在電機達到一定轉速時，打開出口閥門;啟動回路運行，之后，進行啟動回路與運行回路的切換。在啟動回路失電后，電機速度急劇下降，切換到運行回路瞬間，運行回路斷路器跳閘，同時管路中明顯聽到強力沖擊輸出單向閥的聲音。經過分析原因存在于以下幾個方面。

第一，啟動回路運行時間與變頻器加速時間的設置存在偏差，在變頻器尚未拖動供水泵，供水泵轉速達到工頻速度前，程序邏輯命令設備進行啟動回路向運行回路切換。此時，電機尚未滿速運行，供水泵的負載尚未平穩，運行電流偏大，在進行切換時導致供水泵轉速快速下降。如此一來，相當于工頻啟動，過大的啟動電流導致運行斷路器跳閘是正常現象。

第二，在程序設計中，啟動回路向運行回路進行切換的切換時點設置過長。在啟動回路失電后，運行接觸器得電前的切換時間，是電機靠自身慣性旋轉時間，電機開始降速，母管壓力的反沖更是加劇了這個過程。通常情況下，切換時間不宜大于1s，正常應該設置在200～500ms，保證不出現弧光短路為宜。

第三，供水泵在投入運行前沒有對泵體進行排氣，使得供水泵無法正常將水輸送進母管，泵體出口壓力無法正常升壓。

第四，在供水泵出口壓力小于供水母管壓力前打開供水泵出口蝶閥。此時，供水泵無法將管路中殘留氣體排出或者母管中存在的氣體被母管高壓壓入供水泵出口管路中，在啟動回路向運行回路切換時，出現水錘[3]。

⑦實施的解決辦法及效果。第一，程序設計時，合理設置變頻器加速時間（此處設置60s），啟動回路運行時間（此處為70s）;設置怠速保護，即啟動回路運行時間內，變頻器反饋轉速達不到50Hz（工頻速度）時，PLC指令命令啟動過程強制結束，不進行啟動回路向運行回路的切換。第二，合理設計切換時點，在啟動回路運行時間到，沒有怠速、過流、故障保護情況下，啟動回路接觸器、變頻器、變頻器輸出接觸器退出運行，500ms后，運行回路接觸器得電運行。第三，重新檢查設備，嚴格按照標準進行排氣。第四，在進行設備啟動時，按照閉閥起泵的要求，在出口蝶閥關閉的情況下啟動供水泵。啟動過程中，嚴格監視供水泵的輸出壓力，在供水泵的輸出壓力和輸送母管的壓力達到平衡時，啟動回路向運行回路切換前，緩慢打開供水泵輸出蝶閥，保證支管氣體能夠有效排出。閥門開度不宜過大，以有利于支管氣體有效排出為宜。第五，經過此處的進一步處理，各組設備都能正常啟動，切換過程平穩，杜絕了水錘現象的發生。

3 結語

①工廠供水系統安全高效運行依賴于設計、安裝、使用的各個環節。水錘問題是供水系統經常遇見的一個問題，通過合理設計、精心安裝、正確使用將能夠有效避免。

②設計時為了避免供水泵速度急劇變化引起的水錘、水擊現象，在進行啟動回路設計時，將啟動回路設計為降壓啟動，緩慢啟動可動供水泵。

③設備初次使用前，注意進行相關事項的檢查、處理，特別是要進行排氣。

④程序設計時，注意各項指標的檢測，合理設置保護。啟動回路運行時間、啟動設備的加速時間、切換時點以及各組設備之間的聯鎖保護等，都需要進行設置。

⑤設備使用過程中，注意操作過程，觀察檢測元件，保證支管壓力、母管壓力平衡后，緩慢打開出口閥。

參考文獻：

[1]趙理.二次供水工程設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[2]周玉文.供水系統建模與管理[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[3]郭小勤.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，2012.