使用PID调节消除水锤危害

摘要：介绍了水锤事故产生的原因、造成的危害以及危害的若干防护措施。如使用plc控制阀门开闭以消除水锤危害。

关键词：水锤产生的原因；破坏防护；PID

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-6041-02

Using the PID Controller to Eliminate Water Hammer Damage

YANG Zhong-cang1, JIN Bao-wen2

(1.Textile Design Institute of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

Abstract: The causes of water hammer accident, resulting in a number of hazards and hazard prevention measures. Such as us plc to control valves open and close to eliminate water hammer damage.

Key words: water hammer causes; damage protection; Proportional-Integral-Differential

水锤是一种在压力管道中由于阀门的突然开启或关闭，水泵突然停车等导致的液体流速突然变化而引起的液体压强急剧升高和降低的交替变化。

1 水锤造成的危害

水锤会引起压强的强烈变化，正负变化可能达到正常压强的数倍甚至几十倍，这种压强变化造成的危害有：

1)引起管道接头断裂、阀门损坏、管道振动。严重时造成爆管事故，造成路面损坏，人民财产受到损失，供水压力降低乃至停水。

2)由于水锤导致的负压可能从管线漏损处吸入污水，导致供水被污染。

3)由于水锤导致的水泵反转将会破坏水泵及相关设备，甚至造成泵房淹没。

2 水锤产生的原因的分析

在实际工作中，造成后果最为严重的水锤是事故关阀水锤和事故停泵水锤。其中事故关阀水锤是在正常输水中阀门突然关闭，引起管道内压力大幅度升高，引起爆管和阀门零件的损害；事故停泵时，管道内压力突然降低至汽化压力在管道内形成水柱份分离，引起管道压瘪，而当倒泄水流进入水泵，使得水泵工作在水轮机工况时，管内被分离的水柱再次弥合，水压升高，造成更大的水锤压力。

对于水泵系统的水锤计算在工程中常用的方法为特征线法，结合Souter曲线，采用牛顿-莱福笙迭代法求出泵系统各特征点的瞬态流量、水压力值，得出泵系统水锤危害情况的数据结果，水锤计算一般用于拟建在建泵站的设计和水锤防护效果的效验场合，本文就不赘述。

3 水锤的防护

通过对水锤产生的原因做分析我们得出水锤的防护包括两个层次：首先是通过维护泵阀系统、保持正常工况，防止水锤的发生。其次是采取各种防护措施将水锤的危害降到最低。通常采用的优化措施包括从设计上对易发生水锤处增加支撑；对于靠近泵出口阀门附近的管道做加强；对泵站的压力水箱和管道高出可以设置各种排气阀，这样在管道内出现水柱分离的气体时能及时排出气体消除水锤危害；在系统容易产生负压段，增加调压塔，在系统水压下降时向系统补水，避免水柱分离。

1) 阀门开闭优化

由于长管路系统为防止反转 必须在泵出口安装止回阀，但快速闭合的止回阀会造成巨大的水锤压升，而缓慢关闭的止回阀管路防护有限，防护对象也仅限于小型机组。因此对于大中型泵站系统，由于泵管线较长，水惯性大，倒流危害大，必须采用两阶段可控阀。做到在水泵启动时，能先快后慢的自动开启，突然停泵时能先快后慢的自动关闭。这样在启闭水泵过度过程中，既消除了水锤压升，又不让大量的水流倒回。

2) 采用PLC控制技术控制阀门避免水锤事故发生

由于长管路系统为防止反转必须在泵出口安装止回阀，但快速闭合的止回阀会造成巨大的水锤压升，而缓慢关闭的止回阀管路防护有限，防护对象也仅限于小型机组。因此对于大中型泵站系统，由于泵管线较长，水惯性大，倒流危害大，必须采用两阶段可控阀。做到在水泵启动时，能先快后慢的自动开启，突然停泵时能先快后慢的自动关闭。这样在启闭水泵过度过程中，既消除了水锤压升，又不让大量的水流倒回。

在已经建成的供水系统中，如果发生水锤事故，对已有系统进行改造时，可以采用可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）技术对电动阀门进行PID控制，能从根本上解决水锤现象。

我们可以通过具有PID回路指令的可编程控制器（PLC）根据其CPU进行PID（比例-积分-微分）运算，再用PID运算输出控制电动调节阀，并能做到在开筏关阀过程中时刻维持流体在开关阀门前后压强一致。从而从根本上消除了水锤发生的可能。

具体的PID控制思路是利用阀门进出口压力作为控制参数，把阀门上的电动执行器开度作为控制元件。根据经验，对于压力控制我们可以把比例单元系数P设在30-70%，积分单元I设在0.4-3分钟，微分单元D可不设。这样的控制通常叫做比例积分（PI）控制。比例控制器（P）输出的变化与输入控制器的差值成比例关系，差值越大输出越大。在这种控制器适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高的场合。积分控制器（I）的输出和输入差值对时间的积分成正比，这样就导致如果反馈值与输出值的差值一直存在，输出就会越来越大或者越来越小，直到差值为零，累计才会停止。所以，积分控制可以有效消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。比例积分控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。但是对于流量-压力类型的控制，使用比例积分控制有比较好的控制效果。

经过对参数的调节，能做到在阀门-执行器系统很好的控制阀门进出口的压力，彻底消除水锤故障。

4 结语

对于泵站等供水系统来说，越来越大的供水能力必然带来越来越大的水锤压力，由于水锤压力造成的损失也越难以忍受，因此我们在供水系统的设计施工及日常维护中要重视水锤的危害，及时分析发现诱发水锤的因素，及时消除水锤隐患，采用先进的计算机控制，减少水锤事故对人民生活社会财产造成的损失。

参考文献：

[1] 刘竹溪,刘光临.泵站水锤及其防护[M].北京:水利电力出版社,1988.

[2] 王刚.浅谈停泵水锤的危害及防护[J].科技情报开发与经济,2007(31).

[3] 黄友锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京:科学出版社,2010.