水锤的产生及有效规避
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摘 要：工厂生产过程中供水系统的安全是保证工厂连续高效生产的重要环节。水锤问题是工厂供水系统中经常遇到的问题，诱发原因可能存在于设计、安装、使用的各个过程。寻求水锤问题的有效规避办法，从理论和实际应用中整理出一套完整解决方法，保证供水系统的安全高效，显得很有必要。本文将结合一个具体工程论述相关问题。
关键词：水锤;连续高效;安全;规避
中图分类号：TV134 文献标识码：A 文章编号：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 总体叙述
在有压力管路中，由于某种外界原因，如在突然停电或者阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性，产生水流冲击波，就像锤子敲打一样，因此叫作水锤。水流冲击波来回产生的力，有时会很大，甚至能破坏阀门和水泵。鉴于以上特点，在进行设计、安装、使用过程中要注意规避，采用科学的手段最大限度地保证供水系统的安全[1]。
2 工程实例
笔者借用一个典型的工程实例作具体叙述。
2.1 工程涉及内容
工程涉及设备包括8台供水泵进口蝶阀、8台160kW供水泵、8台供水泵出口单向阀、8只供水泵出口压力检测仪表、8台供水泵出口蝶阀、1只供水泵出口母管压力检测仪表以及1套变频降压启动控制系统。8套供水泵阀组单独工作，出口连接供水母管，根据生产需要选择相应套数的泵阀组投入工作。
2.2 设备控制方案
由于供水泵功率为160kW，启动电流大，对电力系统的冲击也很大。为了保证电力系统的安全，在进行控制设计时综合采用了降压启动原理和变频器的工作特点，主控制回路采用变频回路启动、在运行水泵达到一定转速后切换到工频回路运行。公用部分设计一台160kW施耐德变频器、一台变频器输出接触器，每一单套设备设计一台启动接触器、一台运行接触器。每台泵启动时受自身启动接触器状态、运行接触器器状态、热保护状态、公用部分变频器以及变频器输出接触器状态的限制[2]。
2.3 逻辑控制设计
本系统采用PLC控制器统筹管理8套设备的启动、切换、停止，主要涉及以下内容。
①变频器与PLC之间信息交互采用MODBUS TCP网络通信。通过网络通信，PLC对变频器状态信息进行实时采集，控制程序中需要使用的变频器状态信息包括运行电流、备妥状态、故障状态以及运行状态。同时，PLC在对外部环境进行综合判断后，通过网络通信，实现控制变频器。在变频器无故障、备妥、停止达到60s后，控制逻辑中认为变频器具备开机条件。
②启动接触器、运行接触器之间存在锁定关系，在进行控制原理设计时，当启动接触器得电吸合时，运行接触器不能得电吸合。
③变频器、变频器输出接触器、启动接触器向运行接触器切换时，需要设置一个合适的切换时间，避免出现弧光短路和电机运行速度的过度衰减。
由于只有公用變频器能启动回路，因此，PLC需要统筹协调8套设备对公用变频器、变频器输出接触器的调用。PLC要采集8套设备各自的启动按钮信号、启动接触器、运行接触器以及热保护状态，结合公用变频器状态、变频器输出接触器状态。当需要对某一套设备进行启动时，需要保证自身没有热保护故障、变频器启动回路具备开机条件时，其他设备不能处于启动状态，否则进行设备启动无效。
④设备处理：供水设备在投入运行前需要进行泵体、管件、连接件的密封检查;确认出口阀的关闭状态;单向阀的方向确认;打开进口阀，进行泵体排气。完成上述操作后，才能对控制系统送电，进行设备调试。
⑤启动注意事项及正常流程：检查各相关器件的工作状态，确保状态正常;就地启动，此时变频器均匀加速，直至到达工频50Hz;观察供水泵出口压力表的压力值，直至泵体出口压力大于或等于输送母管压力表压力值时，打开供水泵出口阀门。 ⑥通过借鉴以前的工程经验，在设计时进行了规避。但是，调试过程中仍然产生了水锤，具体现象如下。操作人员按常规进行闭阀起泵，也就是在供水泵启动前出口阀门关闭;在电机达到一定转速时，打开出口阀门;启动回路运行，之后，进行启动回路与运行回路的切换。在启动回路失电后，电机速度急剧下降，切换到运行回路瞬间，运行回路断路器跳闸，同时管路中明显听到强力冲击输出单向阀的声音。经过分析原因存在于以下几个方面。
第一，启动回路运行时间与变频器加速时间的设置存在偏差，在变频器尚未拖动供水泵，供水泵转速达到工频速度前，程序逻辑命令设备进行启动回路向运行回路切换。此时，电机尚未满速运行，供水泵的负载尚未平稳，运行电流偏大，在进行切换时导致供水泵转速快速下降。如此一来，相当于工频启动，过大的启动电流导致运行断路器跳闸是正常现象。
第二，在程序设计中，启动回路向运行回路进行切换的切换时点设置过长。在启动回路失电后，运行接触器得电前的切换时间，是电机靠自身惯性旋转时间，电机开始降速，母管压力的反冲更是加剧了这个过程。通常情况下，切换时间不宜大于1s，正常应该设置在200～500ms，保证不出现弧光短路为宜。
第三，供水泵在投入运行前没有对泵体进行排气，使得供水泵无法正常将水输送进母管，泵体出口压力无法正常升压。
第四，在供水泵出口压力小于供水母管压力前打开供水泵出口蝶阀。此时，供水泵无法将管路中残留气体排出或者母管中存在的气体被母管高压压入供水泵出口管路中，在启动回路向运行回路切换时，出现水锤[3]。
⑦实施的解决办法及效果。第一，程序设计时，合理设置变频器加速时间（此处设置60s），启动回路运行时间（此处为70s）;设置怠速保护，即启动回路运行时间内，变频器反馈转速达不到50Hz（工频速度）時，PLC指令命令启动过程强制结束，不进行启动回路向运行回路的切换。第二，合理设计切换时点，在启动回路运行时间到，没有怠速、过流、故障保护情况下，启动回路接触器、变频器、变频器输出接触器退出运行，500ms后，运行回路接触器得电运行。第三，重新检查设备，严格按照标准进行排气。第四，在进行设备启动时，按照闭阀起泵的要求，在出口蝶阀关闭的情况下启动供水泵。启动过程中，严格监视供水泵的输出压力，在供水泵的输出压力和输送母管的压力达到平衡时，启动回路向运行回路切换前，缓慢打开供水泵输出蝶阀，保证支管气体能够有效排出。阀门开度不宜过大，以有利于支管气体有效排出为宜。第五，经过此处的进一步处理，各组设备都能正常启动，切换过程平稳，杜绝了水锤现象的发生。
3 结语
①工厂供水系统安全高效运行依赖于设计、安装、使用的各个环节。水锤问题是供水系统经常遇见的一个问题，通过合理设计、精心安装、正确使用将能够有效避免。
②设计时为了避免供水泵速度急剧变化引起的水锤、水击现象，在进行启动回路设计时，将启动回路设计为降压启动，缓慢启动可动供水泵。
③设备初次使用前，注意进行相关事项的检查、处理，特别是要进行排气。
④程序设计时，注意各项指标的检测，合理设置保护。启动回路运行时间、启动设备的加速时间、切换时点以及各组设备之间的联锁保护等，都需要进行设置。
⑤设备使用过程中，注意操作过程，观察检测元件，保证支管压力、母管压力平衡后，缓慢打开出口阀。
参考文献：
[1]赵理.二次供水工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.
[2]周玉文.供水系统建模与管理[M].北京：中国水利水电出版社，2016.
[3]郭小勤.自动控制原理[M].广州：华南理工大学出版社，2012.
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