污水处理厂运行中水锤效应的危害及其防治

　　摘要：污水处理厂运行中多处存在水锤效应，其危害性比较大。可以采用管道安装缓冲式逆止阀或者水泵电机使用变频器及软启动器控制的方法来减少水锤效应。

　　关键词：水锤效应;自由落体;时间参数

　　Abstract: Plant operation of multiple presence of water hammer effect of sewage treatment, its harm is relatively large. It can be used in pipe installation buffer type check valve or pump motor use frequency converter and method of soft starter control to reduce the water hammer effect.

　　Key words: water hammer effect; free fall; time parameter

　　中图分类号：U664.9+2 献标识码： 文章编号：2095-2104(2013)1-0020-02

　　目前，多数的污水处理厂在运行中，因为工艺的要求，都需要将污水进行提升。在污水提升过程中，不可避免地要出现水锤效应的问题。以笔者所在的污水处理厂的运行情况来看，水锤效应要引起高度的重视。

　　水锤效应的本质原因是惯性，在管道中大量的水在向前流动，这时候如果阻断水流，由于惯性后面的水会继续往前，而前面的水则会因为阻断而反弹回来，造成中间部分水被挤压，一旦惯性失去后，被挤压的水会急速膨胀开来，所造成的力是原先流动力的很多倍，从而对管道及阀门等造成冲击。或者水被水泵提升至高处，当水泵关闭后，水流失去动力自高处做自由落体运动，会对低处及水泵形成冲击。过程说起来比较多，其实都是在瞬间完成的，这就是水锤效应。管道越长，阻断速度越快，水锤效应越明显。在污水处理厂的运行中水锤大多出现在启泵和停泵两种情况下。水泵在起动时，将水注入管道，管道中的压力会在瞬间升高，这时会对管道拐弯处以及管径变小的地方产生水锤作用。当水泵停止时，管道中的水流会在压力和重力作用下由高处向低处流动，这种流动会在地球的重力加速度作用下使水流速度越来越快，水位落差越大，水的流速也就越大，对应的水锤效应也就越大。

　　笔者所在的污水处理厂，采用卡鲁塞尔氧化沟工艺，三组氧化沟每组设计能力为日处理2万吨，合计6万吨。污水提升采用5台48千瓦潜水泵，提升高度为10米。另有30千瓦污泥回流泵3台，扬程7米。我厂自2002年建成运行，污水提升及污泥回流过程中的水锤效应始终存在。其主要问题有：对水泵叶轮及泵轴的影响，当水泵由运行状态停止时，管道中水流以自由落体方式倒流而下，水泵叶轮由运行时的正转变为停车时的反转，泵轴对叶轮的扭矩方向瞬间发生变化，会使轴和套之间的配合面产生相对移动的趋势。当时间一长，这种扭矩力的作用会使得叶轮套和泵轴之间的配合面以及键槽和键都发生磨损。笔者在多次的维修过程中发现，叶轮和泵轴的机械配合不好会造成叶轮的动平衡被破坏，水泵在运行过程中产生振动，这种振动还会损坏安装在叶轮后面的机械密封。机械密封破裂后泵体内会进水，进而烧坏电机绕组。此外，水锤自高位砸下，还会造成管道振动，使管道的支撑架不稳甚至脱落。还有，如果水泵井或水泵坑的面积过小，水锤还会对坑、井的四周墙壁形成冲击。笔者所在的污水处理厂，污泥回流的泵坑面积比较小，在水泵对面的混凝土墙壁上安装有铸铁闸门，水锤对闸门多年的冲击已经造成闸门铸铁导轨的断裂。

　　为解决水锤效应的危害，可以采取在管道合适位置安装缓冲式逆止阀或者水泵电机改为变频或软启动器控制的方法。一般的逆止阀，反向关断的速度非常快，往往水流开始逆向流动时就已经完全关闭了，这样水锤的能量就完全冲击在逆止阀上面，逆止阀关闭时的动静非常大，而且管道的振动也非常剧烈，时间久了，管道和阀门就容易损坏。缓冲式逆止阀，如重锤式逆止阀，可以通过缓冲油缸以及调节重锤的位置来调节阀门的关闭速度。但重锤式逆止阀必须安装在水平走向的管道上。以笔者所在的污水处理厂为例，对污泥回流管道，我们选择了在管道水平位置上安装重锤式逆止阀。管道水平走向的位置，其高度应该在水泵提升高度或扬程总高度的10%或20%的地方。比如提升高度为10米，则管道水平走向的位置高度应选在水泵上方1米或2米的地方。当水泵停止时，重锤式逆止阀通过缓慢的闭合使得水锤的流速逐渐降低，最后直至阀门闭合。这样水锤的能量就能被缓慢释放，从而保护水泵和其他部件避免被水锤冲击。使用变频器或软启动器控制水泵电机的方法，即在变频器或软启动器的软件设置中，将水泵停车的方式设置为制动停车。时间参数的选择，以10米的高度计算，利用自由落体运动的公式H=1/2GT2,得出时间约为1.5秒。时间参数应大于自由落体的时间，可以选择5秒至10秒之间。当水泵停机时，水锤落下，但水泵电机旋转方向并未发生改变，而是被变频器或软启动器驱动继续缓慢减速，直至水锤能量全部释放完毕时，电机转速才降为零。这样能有效降低叶轮和泵轴配合面的机械磨损。而且，在叶轮缓慢减速的过程中，叶轮的扭矩力会使水锤的自由落体速度大大降低，使水流对周围设施的冲击也能降至最小。

　　结语：污水处理厂运行中，对水锤效应的危害应予以充分认识，及早采取措施可以有效减少不必要的损失。对于水泵叶轮和泵轴的配合面磨损情况，也是宜及时发现及时修理。如果单纯使用逆止阀或电气法不理想时，可以采用两者结合的办法，即在管道上安装缓冲式逆止阀，又对水泵电机采用变频器或软启动器控制的办法，这样可以最大限度地减少水锤效应的危害。

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