高揚(yáng)程水錘泵及其相關(guān)專利技術(shù)在農(nóng)村提水實(shí)踐中的推廣應(yīng)用研究

肖 曉

(湖南省張家界市慈利縣新城區(qū)水利管理站，湖南 慈利 427000)

1 水錘泵的工作原理

水錘泵是通過(guò)機(jī)械的作用效果，用低水頭水能將部分低處水強(qiáng)壓到高處的提水裝置。其主要構(gòu)造為進(jìn)水蓄水池、耐壓進(jìn)水管、專用泵體、泵體低處活動(dòng)泄水閥、泵體高處氣室壓力閥、高壓壓力罐、出水管七大部分?？梢詫?dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能的一種簡(jiǎn)單機(jī)械。

1.1 工作原理

水錘泵工作原理是根據(jù)流動(dòng)中的水在運(yùn)動(dòng)時(shí)一旦被突然中斷動(dòng)作，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的能量，利用這股能量，可升高一部分的水壓至一定高度，從原理上來(lái)看也就是泵的作用，如圖1所示。水流順著管道在重力作用下往低處流，到了單向閥A處附近的時(shí)候，由于水流產(chǎn)生的沖力作用，迫使原本開啟的閥門因力的作用而關(guān)閉，只要水往下流時(shí)積累足夠的速度，速度越大，沖力越大，就會(huì)產(chǎn)生關(guān)閉效果，因此這個(gè)單向閥A也就是泵體低處活動(dòng)泄水閥。因?yàn)樗魍蝗煌Ｖ?，相?dāng)于緊急制動(dòng)，水流所具有的動(dòng)能在瞬間變成了壓力能，這股能量使得泵體結(jié)構(gòu)高處的閥門B被沖開，水流順著出口閥門B進(jìn)入管道中，也就是高壓壓力罐中，并在壓力的作用下上升到一定高度。緊接著，因?yàn)樗鬟M(jìn)入高壓壓力罐中，使得進(jìn)水管的壓力得到釋放，所以閥門A就會(huì)迅速回落，為了閥門A回落的速度更快，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)不僅利用了閥門A本身的重力作用，還設(shè)置了專門的輔助彈簧，讓閥門A對(duì)力更敏感，當(dāng)閥門A落實(shí)之后就回到了初始狀態(tài)，同一時(shí)間，壓力閥B也因?yàn)樗鬟M(jìn)入壓力罐壓縮了空氣使得壓力增大而被關(guān)閉，也回到最初的狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程就是如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，水錘泵的作用效果大概為總體水量的15%，水的落差高度為5倍的樣子。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論探索，得出了水錘泵的效率公式：

η=ε·嗞

式中：η表示水錘泵的效率；ε表示部分水流在壓力作用下升高的高度再加上在出水管里面沿程損失的水頭與工作水落差的比值；嗞代表在壓力作用下升高的水流量大小與往下流動(dòng)的工作水流量的比值。

圖1 水錘泵示意圖

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，效果比較好的水錘泵η在85%以上。在安裝做功部分的進(jìn)水管時(shí)，需要控制安裝的平衡傾斜度，一般要保證在1∶4的水平之上(即落差1 m，管長(zhǎng)不少于4 m)，這樣的水流會(huì)有最好的制動(dòng)效果，發(fā)揮更大的作用。水錘泵的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，首先工作中運(yùn)動(dòng)的元件簡(jiǎn)單易得，且不易損壞，從整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，構(gòu)造不復(fù)雜，在整個(gè)過(guò)程中都不需要人為看守自動(dòng)進(jìn)行，還不用借助其他動(dòng)力來(lái)源。不過(guò)在進(jìn)行泵的設(shè)計(jì)時(shí)還是需要考慮到組成部分的堅(jiān)硬程度和強(qiáng)度，因?yàn)樗N作用還是有一定的沖擊性，要保證構(gòu)件不會(huì)因?yàn)闆_擊太大而被損壞。

1.2 工作效率

水錘泵的提水量的決定因素有很多，除了常見的揚(yáng)程之外，還會(huì)受到進(jìn)水管鎮(zhèn)墩以及進(jìn)出水管的直徑影響，水錘泵的效率有兩種，一種是本身效率，另一種是裝置效率，后者指的是在管道沿程阻力和局部阻力的雙重作用下，還保持的工作 效率。

裝置效率p計(jì)算公式：

式中：q為水錘泵提水量，L/min；Q為進(jìn)入水錘泵進(jìn)水管的水流量，L/min；H為水落差，m；h為揚(yáng)程，m；h1為出水管沿程阻力損失，m；h2為出水管局部阻力損失，m。

一般在計(jì)算實(shí)際提水量時(shí)可采用下式：

水的利用率:

1.3 水錘泵的優(yōu)缺點(diǎn)

動(dòng)力來(lái)源不需要借助其他外部能量來(lái)源，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有消耗電能等，只需要水流本身提供能量來(lái)源；能量的利用率相對(duì)較高，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，效率最大達(dá)到了85%以上，要知道目前制作的小型電動(dòng)水力機(jī)組都比不上它的效率，僅在50%左右;可靠性高，如果按汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)制造，使用的時(shí)間非常久，可以維持200多年不被損壞，在工作時(shí)不需要專門的人員看管，整個(gè)架構(gòu)不需要修建泵房，節(jié)約了大量的經(jīng)濟(jì)投入，比常規(guī)的電泵站在初期投入的資金要少得多，同時(shí)后期運(yùn)行維修費(fèi)用也低很多。

不過(guò)傳統(tǒng)的水錘泵還存在一定的問(wèn)題:最主要的問(wèn)題就是工作產(chǎn)生的水錘噪聲達(dá)到了嚴(yán)重噪音污染的水平，通常有90～130分貝，人們一旦接近，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害聽力，產(chǎn)生耳內(nèi)刺痛的感覺(jué)，為了盡可能地避免這個(gè)問(wèn)題，國(guó)際上選擇將水錘泵應(yīng)用于偏遠(yuǎn)、人口稀少的農(nóng)村，不會(huì)在人口非常集中的地區(qū)使用該裝置，國(guó)內(nèi)同樣如此。除此之外還存在的問(wèn)題就是其功率較小，目前最大的水錘泵的進(jìn)口直徑已經(jīng)達(dá)到了2.5 m，但是仍然不能跟上大規(guī)模開發(fā)低水頭能源的發(fā)展要求。

1.4 安裝環(huán)境、條件及選址原則

水錘泵對(duì)安裝的選址有一定的要求，直接決定了其工作效率，是它正常穩(wěn)定工作的決定性因素，所以在選址時(shí)要注意：

(1)保證水頭的水資源豐富，如果一年四季都能保證水流的存在是最佳的，同時(shí)在水量上也要符合要求；

(2)落差在一定范圍內(nèi)(0.3～100 m均可)，選擇的對(duì)象往往是溪流或者水庫(kù)大壩的外側(cè)，引渠人造落差也可以；

(3)另外需要考慮山洪的影響，遠(yuǎn)離山洪威脅地帶，從而避免山洪沖擊造成的泵站設(shè)施損壞。

2 專利技術(shù)介紹

變調(diào)靜態(tài)長(zhǎng)芯軸趕式脈沖感應(yīng)泵(專利號(hào)ZL200620052411-6)工作應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榇笮√崴{(diào)水工程，另外對(duì)自來(lái)水加壓和渠上自流灌溉的適應(yīng)性良好，在工作時(shí)可以自動(dòng)把低處的流水提到高處。整體構(gòu)造為：泵腔體和導(dǎo)管以及泵芯座，圈體閥座和自控菇形泵芯閥，空氣室以及進(jìn)出水口、自控進(jìn)氣孔。其關(guān)鍵技術(shù)及其特征如下。

(1)進(jìn)水口及出水口的布局相似，都是呈高低布局模式，通常兩個(gè)或以上做成一組；豎立管道設(shè)立在自控泵芯閥的正下方，該管的功能是儲(chǔ)水；在豎立管道的中下部有一個(gè)感應(yīng)倉(cāng)，該感應(yīng)倉(cāng)的內(nèi)直徑一般比豎立管要大，并且組成部分為上下對(duì)稱的兩個(gè)部分，一般在感應(yīng)倉(cāng)的中部會(huì)安裝柔性的感應(yīng)膜。

(2)不耗電不用油,可將低處流水自行提向高處，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng),無(wú)擺動(dòng)；部件損耗小,使用壽命長(zhǎng),可在近于住戶的場(chǎng)所安裝使用,本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用于高揚(yáng)程提水的高壓力作業(yè)?？蓭资瓴婚g斷連續(xù)作業(yè)運(yùn)行。

(3)流量不限，可大可小，以用戶夠用為準(zhǔn)，揚(yáng)程不限，流量、揚(yáng)程與造價(jià)、投資成正比。

(4)技術(shù)成熟，在多地實(shí)施，受到普遍贊譽(yù)。節(jié)能減排，一次性投入，長(zhǎng)期使用受益。

(5)為降低噪音可采用泄水閥水流降噪技術(shù)。

這種泵能夠被應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如果低處流動(dòng)的凈水流量不足，能夠很好的利用污水的動(dòng)能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)兩者之間完全的動(dòng)態(tài)隔離。

3 專利技術(shù)的推廣應(yīng)用

結(jié)合該專利技術(shù)要點(diǎn)，計(jì)劃在慈利縣新城區(qū)桑木溪村開展應(yīng)用試點(diǎn)。該村是由原來(lái)栗山村和桑木溪村2個(gè)自然村合并而成，桑木溪村有6個(gè)組屬于水源性缺水，600多人一直被飲水問(wèn)題困擾。

通過(guò)實(shí)地考察，引進(jìn)此專利技術(shù)進(jìn)行改水試驗(yàn)。具體測(cè)得建設(shè)數(shù)據(jù)：可利用水源落差約43 m，干旱時(shí)最低日流量800 m3，據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)制作水錘泵。經(jīng)計(jì)算，在高程208 m選擇安裝進(jìn)水管道，在高程165 m處安裝水錘泵，將水提到高程400 m處(居民用水保障高程)；設(shè)計(jì)日最低流量100 m3。

3.1 基本參數(shù)

連接水錘泵的進(jìn)出水管道所需材料：

(1)進(jìn)水管采用無(wú)縫鋼管200 m，尺寸為內(nèi)徑100 mm×6 mm；

(2)出水管總長(zhǎng)度800 m，其中，從水錘泵開始連接無(wú)縫鋼管400 m，內(nèi)徑50 mm，其厚度依次為6、5 mm，長(zhǎng)度各200 m，然后到出水池采用PE水管400 m。

水錘泵對(duì)應(yīng)的材料尺寸規(guī)格：廠家提供的水錘泵(使用壽命30年)，采用內(nèi)徑100 mm、厚10 mm的無(wú)縫鋼管；其泄水閥、空氣罐均采用內(nèi)徑200 mm、厚10 mm無(wú)縫鋼管。

3.2 水錘泵安裝與施工

(1)安裝。安裝技術(shù)要求，進(jìn)水管不能產(chǎn)生振動(dòng)，并形成真空管道，盡量充分利用水源最大水頭，通過(guò)比較最后選擇從水源處溶洞內(nèi)進(jìn)去30多m處設(shè)置進(jìn)水管道入口。在施工過(guò)程中，由于各種因素制約，對(duì)進(jìn)水管全部采用焊接，轉(zhuǎn)角處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)切割、焊接，造成焊接處無(wú)法保證進(jìn)水管道內(nèi)壁光滑。

(2)泵體、泵池施工。①水泵安裝在混凝土之上，因?yàn)榛炷凛^為堅(jiān)固，安裝時(shí)用地腳螺栓固定；②泵體位置砌泵池以保護(hù)水泵；③設(shè)置了泵池，泵池預(yù)留尾水排放口，排放口和水泵泄水口兩者的高度在同一水平線上，一般會(huì)保持泵池內(nèi)的水位與水泵泄水口剛好平衡，這樣水泵的效率才能保證最大。

(3)出水調(diào)試。①首次調(diào)試。安裝進(jìn)水管210 m和出水管400 m(出水口位于揚(yáng)程約150 m處)，調(diào)試水錘泵。水錘泵開啟以后，不能工作；觀察排水過(guò)程，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水管有空氣，沒(méi)有形成真空。其處理方法是，在進(jìn)水管道外面距離水錘泵每間隔20 m加裝1個(gè)簡(jiǎn)易排氣閥。②二次調(diào)試。開啟水錘泵，僅運(yùn)行了2 min，自動(dòng)停機(jī)。觀察運(yùn)行過(guò)程，還是進(jìn)水管中有空氣。考慮到進(jìn)水管上部彎處多、彎急，焊接點(diǎn)多，導(dǎo)致管內(nèi)部分管壁不光滑，而產(chǎn)生繁雜氣體流。其處置方法，在急彎處后部加裝豎立式排氣管。③三次調(diào)試。開啟水錘泵，運(yùn)行了10 h，而且能完全連續(xù)自動(dòng)工作。但是在出水囗測(cè)量出水流量時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際出水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求出水量。經(jīng)過(guò)測(cè)量，日出水量?jī)H40 多m3，且出水囗位置還沒(méi)有到達(dá)最高處。經(jīng)過(guò)具體分析，發(fā)現(xiàn)出水管壓力不足，繼續(xù)尋找原因。

(4)出水量大小調(diào)試與水錘泵試驗(yàn)性改造。①首次改造。通過(guò)觀察，決定將水錘泵儲(chǔ)水管增高1 m，即由原來(lái)的0.5 m增加至1.5 m，使儲(chǔ)水管的儲(chǔ)水量增加2倍。然后開機(jī)調(diào)試，運(yùn)行正常，出水量有了明顯增加，測(cè)得日出水量近90 m3。②再次改造。為了盡可能多的增加提水量，又決定擴(kuò)大儲(chǔ)氣罐容量，一是把儲(chǔ)氣罐長(zhǎng)度從1.2 m改為 1.5 m；二是把原來(lái)的內(nèi)徑200 mm改為325 mm，增加儲(chǔ)氣量2.3倍；同時(shí)為了增加穩(wěn)定性，改豎立為橫向，以降低儲(chǔ)氣罐高度和重心；完成所有800 m出水管的連接工程，將出水囗提高到設(shè)計(jì)高程要求。再繼續(xù)開機(jī)調(diào)試，運(yùn)行全部正常，并測(cè)得日出水量145 m3。所有指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此水泵采用了泄水閥水流降噪技術(shù)，噪音對(duì)環(huán)境影響小。

4 效益分析

(1)工程預(yù)算。經(jīng)預(yù)算僅提水部分工程需投資30 萬(wàn)元，其中，進(jìn)出水管道材料費(fèi)及施工費(fèi)25萬(wàn)元，水錘泵5萬(wàn)元。

(2)效益對(duì)比。傳統(tǒng)用電抽水前期投資要80萬(wàn)元以上。包括用電抽水需架設(shè)高壓線2 km、專用變50 kVA、抽水井、水泵房。

(3)經(jīng)濟(jì)效益。①節(jié)約直接投資50萬(wàn)元。②節(jié)約電費(fèi)，每年10 萬(wàn)kWh，30年共計(jì)300萬(wàn)kWh，即300萬(wàn)kWh×0.5 元/kWh=150 萬(wàn)元；③節(jié)約人員管理費(fèi)，1 500 元/人×12月×30 a=54萬(wàn)元；總計(jì)節(jié)約費(fèi)用50+150+54=254萬(wàn)元。

5 安裝注意事項(xiàng)

(1)在工作過(guò)程中，應(yīng)定期對(duì)泵和管道的各部分螺絲進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，應(yīng)及時(shí)緊固。

(2)停止使用時(shí)，出水管口應(yīng)加蓋，以免石塊或雜物進(jìn)入泵內(nèi)，損壞壓水閥和座架等內(nèi)部機(jī)件。

(3)拆卸時(shí)，應(yīng)注意運(yùn)行后緩沖筒內(nèi)有高壓空氣，必須先打開放水螺孔排水和放氣，再動(dòng)手拆卸，以保證安全。

(4)在易凍季節(jié)里，水錘泵停止運(yùn)行時(shí)，須將進(jìn)水管、出水管和緩沖筒內(nèi)的水放凈，以免凍裂設(shè)備。

(5)灌溉季節(jié)結(jié)束后，應(yīng)對(duì)泵、管進(jìn)行一次油漆防銹，以延長(zhǎng)使用壽命。如較長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，應(yīng)放凈泵中的水，可拆下排水閥涂油保管，壓水閥應(yīng)擦干水分保存干燥通風(fēng)處，不可接觸腐蝕類物品。

(6)拆裝泵管時(shí)，應(yīng)專心仔細(xì)，使機(jī)件和法蘭墊圈等不要損壞;擰緊或擰松螺絲時(shí)要對(duì)稱均勻用力。安裝時(shí)，壓水閥和閥座應(yīng)保證其同心度，不可偏位，以免運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)損壞或影響效率。

(7)經(jīng)常清理排水池內(nèi)淤積的泥砂和雜物。

(8)經(jīng)常巡視和維修渠道、堤壩，防止塌漏。特別是洪水季節(jié)尤應(yīng)防止沖毀建筑物。

(9)安裝揚(yáng)水管路。①一般會(huì)在泵的揚(yáng)水管上安裝對(duì)應(yīng)的控制閥門，目的在于控制水泵的啟動(dòng)，另外也能有效避免水泵停止，揚(yáng)水管中的水會(huì)倒流至水泵中；②為了系統(tǒng)今后的維護(hù)和修理工作，距離泵體的出口在10 m之內(nèi)的管道安裝時(shí)盡量保持水平，保留足夠的可移動(dòng)空間，方便以后的維修拆裝作業(yè)；③在鋪設(shè)揚(yáng)水管路時(shí)，要注意揚(yáng)程，根據(jù)1.2～2倍的對(duì)應(yīng)壓力等級(jí)供水管道來(lái)進(jìn)行鋪設(shè)。具體舉例就是當(dāng)揚(yáng)程為150 m時(shí)，采用的管材要能夠耐受2.0 MPa的壓力，也就是20 kg左右的壓力。當(dāng)揚(yáng)程為240 m，要兩個(gè)部分選擇管材，上半段較小，只需要0.6 MPa，也就是6 kg，下半段要求較高，需要達(dá)到3.0 MPa，也就是30 kg的水平；④在設(shè)計(jì)揚(yáng)水管時(shí)，盡可能選擇直管，避免使用彎頭或者直角轉(zhuǎn)彎，這樣就能最大程度上利用流量的動(dòng)能而不被阻力損耗；⑤在進(jìn)行揚(yáng)水管道的安裝時(shí)，注意沿線的管道不能下凹，從而避免管道內(nèi)空氣排除不干凈而導(dǎo)致?lián)P水量減??；⑥揚(yáng)水管連接部位不能出現(xiàn)泄露；⑦如果水泵的揚(yáng)程大于50 m的時(shí)候，需要在揚(yáng)水管路上安裝逆止閥或者防回流的裝置，這是為了避免在揚(yáng)水管路同樣發(fā)生水錘效應(yīng)，使得水泵損壞，危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，改造后的橫向儲(chǔ)氣罐豎立式水錘泵，充分吸收了先進(jìn)的技術(shù)方法，并結(jié)合現(xiàn)有水錘泵的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造性地改進(jìn)了儲(chǔ)氣罐長(zhǎng)度和豎立管高度，擴(kuò)大儲(chǔ)氣罐容量并增加了穩(wěn)定性，同時(shí)改進(jìn)了進(jìn)水管道密閉性和穩(wěn)定性問(wèn)題，保證水錘泵在無(wú)接觸的狀態(tài)下工作，這種狀態(tài)管道之間無(wú)磨損，因而具有更高的可靠性，正因如此，在我國(guó)70%以上山區(qū)以及西部地區(qū)可以廣泛利用這種經(jīng)濟(jì)效益大又安全可靠的高揚(yáng)程水錘泵。這種無(wú)消耗、無(wú)污染的設(shè)備能夠?yàn)槲覈?guó)節(jié)能減排做出巨大的貢獻(xiàn)，正符合我們的環(huán)境理念：既要金山銀山，更要綠水青山。