王发龙 张文强
新疆煤田灭火工程局 新疆乌鲁木齐 830063
摘要：水锤效应对煤田灭火工程供水系统的正常、高效运行危害较大，必须加以控制和预防才能确保供水系统正常运行。本文对煤田灭火工程供水系统水锤效应的危害、成因及消除措施进行了分析。
关键词：煤田灭火工程；供水系统；水锤效应；消除措施
煤田灭火工程供水系统主要是保障注水、钻探、注浆、生态环境修复等煤田灭火工艺及基本生活用水。供水系统的安全高效运行对煤田灭火工程顺利开展和全面推进有着极为重要的影响。水锤现象威胁着供水系统的安全运行，要有效防控管道水锤现象，就必须弄清水锤产生的原因，从源头上减少水锤现象。水锤现象主要由流速（或温度）的突然变化引起，因此控制流速骤变能有效减少供水管道的水锤现象。基于此，本文论述了供水系统水锤效应成因及消除措施。
一、煤田灭火工程供水系统概述
煤田火灾是指发生在煤田煤层露头或浅部，影响煤田开发、污染环境、破坏生态、资源烧损严重的非生产区域火灾。煤田火灾治理工作一般有火区初步勘查、火区灭火规划、火区详细勘查、灭火工程可行性研究（必要时）、灭火工程初步设计（必要时可代替可行性研究）、灭火施工组织设计、灭火工程施工、竣工验收及后期管理等阶段。煤田灭火工程是根据灭火工程初步设计技术要求和工期，按照灭火施工组织设计的安排，实施推进煤田火灾治理。灭火工艺主要包括剥离、注水、钻探、注浆、覆盖、生态环境修复等。
供水系统主要是保障注水、钻探、注浆（新材料）、生态环境修复等煤田灭火工艺及基本生活用水，供水系统的安全高效运行对煤田灭火工程顺利开展和全面推进有着极为重要的影响。煤田灭火工程施工区域主要集中在陡峭山区或戈壁荒漠，根据所处地势和输水距离，供水系统主要采用一级或多级加压输水方式。供水系统主要由建、构筑物、泵房设备材料、输配水主材、管道附件组成，流程主要为“起点蓄水池→加压泵房→输水管路→作业区”。煤田灭火工程中的输水工程施工是一项非常重要、十分艰苦而又特别复杂的工作，设计参数、线路和管材选择的合理与否，对输水方式、管材选用、电力消耗、系统安全、工程造价、运行管理等都具有十分重要的意义，有时甚至起决定性的作用，故必须综合考虑各方面因素，重点权衡安全和经济两大因素。供水工程设计参数应该充分考虑输水距离、地形高程、水里控制点等因素；输水线路选择应该注重考虑地质地形、运输距离、管路数量、建设工期等因素；输水管材选择应该注重考虑水力和水锤参数、力学和机械性能及市场供应、施工季节等因素。
二、水锤效应对煤田灭火供水系统的危害
水锤指由于管道内静止或定向运动物质的动量瞬间发生改变，且无法被大量吸收，就会对管道产生冲击波，致使压力瞬间改变，激增至峰值，产生动态压力波动现象，对管道造成冲击或破坏。在煤田灭火供水系统中，水锤效应是指当瞬间停泵或启泵、关闭阀门或突然打开，水流会对管壁及阀门等组件产生一个压力，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水“水锤现象”，一般正压水锤破坏力比负压水锤大。水锤效应有极大的破坏性。压强过高或过低，将引起供水管道或组件的变形或破裂。
三、水锤的影响因素
波速是水锤的重要影响因素。流体自身的体积受管道的压力及流体中的自由气体影响较为明显。因管道存在的一定含气量，含气量在一定范围内增加时水锤波速在管道中会显现较强的降落趋向或上升趋向。
温度是水锤的重要影响因素。当冷凝水的温度略低于蒸汽温度时会对水锤的形成造成很大的影响。管道内的低温冷凝水与蒸汽混合非常危险。以我国西北地区某煤田灭火输水工程为例，由于输水管线地处戈壁荒漠，尤其夏季输水间断后再次启动供水时，会因残存在管道中的液体水受高温加热变成蒸汽，与启泵输水时的低温或常温水混合后会出现很严重的水锤效应。
煤田煤火工程供水系统管线主要采用焊接钢管、卡箍件柔性连接，在定线与设计合理、运行与操作正确的情况下，一般不会出现水柱拉断现象，即发生断流水锤，也称为正水锤或停泵水锤。水锤压力计算，一直是现代水力学研究的课题之一，长期以来，国内外学者做了大量研究工作，但到现在为止，对它的计算方法尚未完全统一，目前均按下列公式进行计算：
水锤压力△p=ρcυ公式计算，
式中：△p—水锤最大压力，单位Pa；
ρ—水的密度，单位kg/m3；
c—水击波的传播速度，单位m/s；
υ—管道中水流速度，单位m/s。
其中c=c0/（1+（Kdi/Eδ））0.5，式中：c0—水中声波的传播速度，宜取1435m/s；K—水的体积弹性模量，宜取2.1×109Pa；E—管道的材料弹性模量，钢管取20.6×1010Pa；di—管道内径，单位mm；δ—管道壁厚，单位mm。
四、水锤效应消除措施
1、降低输水管线的流速，一定程度上可以降低水锤压强。输水管线控制点选择时应尽量避免出现在驼峰或坡度剧变位置，应尽量避免管道“局部隆起”和“上缓下陡”两种竖向布置方式。在供水管线适当位置建立储水井或吸水井，实现由一个泵站变两个泵站，用储水井或吸水井把两个泵站衔接起来。停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关，几何扬程越高，停泵水锤值越大。因此，应根据项目地地形地貌、输水距离等因素和实际情况，调整输水管线控制点，选用合理的水泵扬程。
2、设置水锤消除装置
1)采用恒压控制技术。采用自动恒压技术控制系统，对供水泵房系统进行变频调速自动控制。通过检测管网压力数值，来调节供水泵房系统，控制水泵的开、停、转速调节，控制流量，促使压力保持在一定范围，达到基本恒压供水，有效缓解压力骤变，避免波动过大从而使产生水锤的概率减小。
2)安装水锤消除器。安装该设备主要防止停泵水锤现象出现，一般安装就近安装在水泵出口管道，利用管道内部水压为动力实现压力低于设定保护值时排水口会自动开启放水泄压动作，平衡局部管道的压力值，防止水锤压强对设备和管道的冲击，消除器主要为机械式和液压式，液压式消除器可自动复位，机械式消除器动作后需人工恢复。
3)水泵出水管到上安装缓闭止回阀，可有效消除停泵水锤，为防止因阀门动作时一定水量倒流，需安装有溢流管。缓闭止回阀有重捶式和蓄能式等。缓闭止回阀可以根据实际需要在一定范围内调整阀门关闭时间，停泵后3～7s内阀门关闭75%左右，剩余部分可在25s左右完成关闭。但在管路驼峰处发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用有一定范围。
4)安装单向调压塔。泵房附近或适当位置修建单向调压塔，且高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，可实现向管道补水，防止水柱拉断水锤，避免弥合水锤。但其对停泵水锤外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。
5)泵房内安装旁通管(阀)。在供水系统正常运行时，由于水泵压水侧水压高于吸水侧水压，止回阀关闭。当突然停泵后，水泵站出口处压力瞬间降低，而吸水侧压力则突增。差压下，可以控制水泵站两侧的水锤升、降压，从而有效减少及防止水锤危害。
6)安装多级止回阀。在长距离输水管路中，增设一个或多个止回阀，把输水管划分成若干段，每段上均设止回阀。当发生水锤现象时，备止回阀相继关闭把回冲水流分成数段，由于每段输水管内静水压头较小，从而降低了水锤升压。其最大缺点是，需要较强的电力支撑、同时提高成本。
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注：正文有计算公示，请排版是注意公式中的上下小标格式。
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