水錘的產(chǎn)生及有效規(guī)避

李永紅 段世良 郭孟彩

摘 要：工廠生產(chǎn)過程中供水系統(tǒng)的安全是保證工廠連續(xù)高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。水錘問題是工廠供水系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的問題，誘發(fā)原因可能存在于設(shè)計(jì)、安裝、使用的各個(gè)過程。尋求水錘問題的有效規(guī)避辦法，從理論和實(shí)際應(yīng)用中整理出一套完整解決方法，保證供水系統(tǒng)的安全高效，顯得很有必要。本文將結(jié)合一個(gè)具體工程論述相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：水錘;連續(xù)高效;安全;規(guī)避

中圖分類號(hào)：TV134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guān)閉太快時(shí)，由于壓力水流的慣性，產(chǎn)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(chǎn)生的力，有時(shí)會(huì)很大，甚至能破壞閥門和水泵。鑒于以上特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、使用過程中要注意規(guī)避，采用科學(xué)的手段最大限度地保證供水系統(tǒng)的安全[1]。

2 工程實(shí)例

筆者借用一個(gè)典型的工程實(shí)例作具體敘述。

2.1 工程涉及內(nèi)容

工程涉及設(shè)備包括8臺(tái)供水泵進(jìn)口蝶閥、8臺(tái)160kW供水泵、8臺(tái)供水泵出口單向閥、8只供水泵出口壓力檢測儀表、8臺(tái)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(dòng)控制系統(tǒng)。8套供水泵閥組單獨(dú)工作，出口連接供水母管，根據(jù)生產(chǎn)需要選擇相應(yīng)套數(shù)的泵閥組投入工作。

2.2 設(shè)備控制方案

由于供水泵功率為160kW，啟動(dòng)電流大，對電力系統(tǒng)的沖擊也很大。為了保證電力系統(tǒng)的安全，在進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)綜合采用了降壓啟動(dòng)原理和變頻器的工作特點(diǎn)，主控制回路采用變頻回路啟動(dòng)、在運(yùn)行水泵達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后切換到工頻回路運(yùn)行。公用部分設(shè)計(jì)一臺(tái)160kW施耐德變頻器、一臺(tái)變頻器輸出接觸器，每一單套設(shè)備設(shè)計(jì)一臺(tái)啟動(dòng)接觸器、一臺(tái)運(yùn)行接觸器。每臺(tái)泵啟動(dòng)時(shí)受自身啟動(dòng)接觸器狀態(tài)、運(yùn)行接觸器器狀態(tài)、熱保護(hù)狀態(tài)、公用部分變頻器以及變頻器輸出接觸器狀態(tài)的限制[2]。

2.3 邏輯控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PLC控制器統(tǒng)籌管理8套設(shè)備的啟動(dòng)、切換、停止，主要涉及以下內(nèi)容。

①變頻器與PLC之間信息交互采用MODBUS TCP網(wǎng)絡(luò)通信。通過網(wǎng)絡(luò)通信，PLC對變頻器狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，控制程序中需要使用的變頻器狀態(tài)信息包括運(yùn)行電流、備妥狀態(tài)、故障狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，PLC在對外部環(huán)境進(jìn)行綜合判斷后，通過網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)控制變頻器。在變頻器無故障、備妥、停止達(dá)到60s后，控制邏輯中認(rèn)為變頻器具備開機(jī)條件。

②啟動(dòng)接觸器、運(yùn)行接觸器之間存在鎖定關(guān)系，在進(jìn)行控制原理設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)啟動(dòng)接觸器得電吸合時(shí)，運(yùn)行接觸器不能得電吸合。

③變頻器、變頻器輸出接觸器、啟動(dòng)接觸器向運(yùn)行接觸器切換時(shí)，需要設(shè)置一個(gè)合適的切換時(shí)間，避免出現(xiàn)弧光短路和電機(jī)運(yùn)行速度的過度衰減。

由于只有公用變頻器能啟動(dòng)回路，因此，PLC需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)8套設(shè)備對公用變頻器、變頻器輸出接觸器的調(diào)用。PLC要采集8套設(shè)備各自的啟動(dòng)按鈕信號(hào)、啟動(dòng)接觸器、運(yùn)行接觸器以及熱保護(hù)狀態(tài)，結(jié)合公用變頻器狀態(tài)、變頻器輸出接觸器狀態(tài)。當(dāng)需要對某一套設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，需要保證自身沒有熱保護(hù)故障、變頻器啟動(dòng)回路具備開機(jī)條件時(shí)，其他設(shè)備不能處于啟動(dòng)狀態(tài)，否則進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)無效。

④設(shè)備處理：供水設(shè)備在投入運(yùn)行前需要進(jìn)行泵體、管件、連接件的密封檢查;確認(rèn)出口閥的關(guān)閉狀態(tài);單向閥的方向確認(rèn);打開進(jìn)口閥，進(jìn)行泵體排氣。完成上述操作后，才能對控制系統(tǒng)送電，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

⑤啟動(dòng)注意事項(xiàng)及正常流程：檢查各相關(guān)器件的工作狀態(tài)，確保狀態(tài)正常;就地啟動(dòng)，此時(shí)變頻器均勻加速，直至到達(dá)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(shí)，打開供水泵出口閥門。

⑥通過借鑒以前的工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了規(guī)避。但是，調(diào)試過程中仍然產(chǎn)生了水錘，具體現(xiàn)象如下。操作人員按常規(guī)進(jìn)行閉閥起泵，也就是在供水泵啟動(dòng)前出口閥門關(guān)閉;在電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，打開出口閥門;啟動(dòng)回路運(yùn)行，之后，進(jìn)行啟動(dòng)回路與運(yùn)行回路的切換。在啟動(dòng)回路失電后，電機(jī)速度急劇下降，切換到運(yùn)行回路瞬間，運(yùn)行回路斷路器跳閘，同時(shí)管路中明顯聽到強(qiáng)力沖擊輸出單向閥的聲音。經(jīng)過分析原因存在于以下幾個(gè)方面。

第一，啟動(dòng)回路運(yùn)行時(shí)間與變頻器加速時(shí)間的設(shè)置存在偏差，在變頻器尚未拖動(dòng)供水泵，供水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到工頻速度前，程序邏輯命令設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)回路向運(yùn)行回路切換。此時(shí)，電機(jī)尚未滿速運(yùn)行，供水泵的負(fù)載尚未平穩(wěn)，運(yùn)行電流偏大，在進(jìn)行切換時(shí)導(dǎo)致供水泵轉(zhuǎn)速快速下降。如此一來，相當(dāng)于工頻啟動(dòng)，過大的啟動(dòng)電流導(dǎo)致運(yùn)行斷路器跳閘是正常現(xiàn)象。

第二，在程序設(shè)計(jì)中，啟動(dòng)回路向運(yùn)行回路進(jìn)行切換的切換時(shí)點(diǎn)設(shè)置過長。在啟動(dòng)回路失電后，運(yùn)行接觸器得電前的切換時(shí)間，是電機(jī)靠自身慣性旋轉(zhuǎn)時(shí)間，電機(jī)開始降速，母管壓力的反沖更是加劇了這個(gè)過程。通常情況下，切換時(shí)間不宜大于1s，正常應(yīng)該設(shè)置在200～500ms，保證不出現(xiàn)弧光短路為宜。

第三，供水泵在投入運(yùn)行前沒有對泵體進(jìn)行排氣，使得供水泵無法正常將水輸送進(jìn)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(shí)，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(dòng)回路向運(yùn)行回路切換時(shí)，出現(xiàn)水錘[3]。

⑦實(shí)施的解決辦法及效果。第一，程序設(shè)計(jì)時(shí)，合理設(shè)置變頻器加速時(shí)間（此處設(shè)置60s），啟動(dòng)回路運(yùn)行時(shí)間（此處為70s）;設(shè)置怠速保護(hù)，即啟動(dòng)回路運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，變頻器反饋轉(zhuǎn)速達(dá)不到50Hz（工頻速度）時(shí)，PLC指令命令啟動(dòng)過程強(qiáng)制結(jié)束，不進(jìn)行啟動(dòng)回路向運(yùn)行回路的切換。第二，合理設(shè)計(jì)切換時(shí)點(diǎn)，在啟動(dòng)回路運(yùn)行時(shí)間到，沒有怠速、過流、故障保護(hù)情況下，啟動(dòng)回路接觸器、變頻器、變頻器輸出接觸器退出運(yùn)行，500ms后，運(yùn)行回路接觸器得電運(yùn)行。第三，重新檢查設(shè)備，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排氣。第四，在進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，按照閉閥起泵的要求，在出口蝶閥關(guān)閉的情況下啟動(dòng)供水泵。啟動(dòng)過程中，嚴(yán)格監(jiān)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(dá)到平衡時(shí)，啟動(dòng)回路向運(yùn)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(jīng)過此處的進(jìn)一步處理，各組設(shè)備都能正常啟動(dòng)，切換過程平穩(wěn)，杜絕了水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)語

①工廠供水系統(tǒng)安全高效運(yùn)行依賴于設(shè)計(jì)、安裝、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)。水錘問題是供水系統(tǒng)經(jīng)常遇見的一個(gè)問題，通過合理設(shè)計(jì)、精心安裝、正確使用將能夠有效避免。

②設(shè)計(jì)時(shí)為了避免供水泵速度急劇變化引起的水錘、水擊現(xiàn)象，在進(jìn)行啟動(dòng)回路設(shè)計(jì)時(shí)，將啟動(dòng)回路設(shè)計(jì)為降壓啟動(dòng)，緩慢啟動(dòng)可動(dòng)供水泵。

③設(shè)備初次使用前，注意進(jìn)行相關(guān)事項(xiàng)的檢查、處理，特別是要進(jìn)行排氣。

④程序設(shè)計(jì)時(shí)，注意各項(xiàng)指標(biāo)的檢測，合理設(shè)置保護(hù)。啟動(dòng)回路運(yùn)行時(shí)間、啟動(dòng)設(shè)備的加速時(shí)間、切換時(shí)點(diǎn)以及各組設(shè)備之間的聯(lián)鎖保護(hù)等，都需要進(jìn)行設(shè)置。

⑤設(shè)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(xiàn)：

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