箱式雙向調壓塔在長距離壓力流輸水系統中的水錘防護研究

高 鳳，王 鶴，張 博

(1．長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710054;2．西安市政設計研究院有限公司，陜西西安 710068)

壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉換，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象，稱為水錘現象。水錘也稱水擊，或稱流體水力瞬變暫態過程［1］。

國內外普遍將泵站管路系統中所發生的各種水錘現象統稱為“泵站管路系統水力過渡過程”。泵站管路系統水力過渡過程中的水柱分離及隨后產生的斷流再彌合水錘(即空腔潰滅水錘)，對遠距離輸水管線工程的危害是巨大的。據原武漢水利電力學院的水錘專家提供:生產實踐中的長距離輸水管路中所出現的管路破裂，70% ～80%與水柱分離有關［2］。由此可見，斷流彌合水錘的危害比常見的傳統的水錘要嚴重得多，所以長距離輸水管線的防護應優先考慮的是斷流水錘防護。

我國的水資源特征主要表現為時空變化極大、時間和空間分布不均，在水資源供求上存在矛盾。近年來由于人口持續增長和經濟高速發展，我國長距離輸水工程越來越多，距離越來越長，像山東的引黃濟青、陜西引黃入晉等。在長距離輸水中如何進行有效的水錘防護是科研、設計人員亟待解決的問題。

常用的水錘防護措施主要有:根據管段縱斷面圖在管道凸點安裝排氣閥，也可根據水錘防護計算調整排氣閥的位置;在管道重要部位安裝超壓泄壓閥或調壓塔(單/雙);在水泵出口處安裝緩閉止回閥(液控蝶閥、水泵控制閥等)。

1 箱式雙向調壓塔簡介

1．1 雙向調壓塔

對輸水干管而言，雙向調壓塔是一種兼具注水與泄(排)水緩沖式的水錘防護設備，其設置的主要作用是防止壓力輸水干管中產生負壓。一旦管道中壓力降低，調壓塔迅速向管道補水，以防產生負壓。當管路中水錘壓力升高時，它允許高壓水流進入調壓塔中，從而起到緩沖水錘升壓的作用。雙向調壓塔構造簡單，工作安全，防護效果好。但是高度大、造價高、水質易受污染等缺點阻礙了雙向調壓塔的使用［3］。

1．2 箱式雙向調壓塔

箱式雙向調壓塔是目前應用最廣泛的調壓塔，是一種新型的水錘防護設備。它完全具有普通雙向調壓塔的優點。但其高度可大幅度降低，一般僅2～5 m。防水錘泄壓溢流性能高度安全可靠，且克服了超壓泄壓閥存在的拒動作和滯動作等問題，使管道泄壓迅速及時，安全程度大幅度提高。在水錘防護性能上幾乎完全等同于普通雙向調壓塔，大大降低了工程造價，從而使其廣泛應用于管道水錘防護，是一種安全可靠的防護措施［3］。

2 工程實例

我國西北地區某縣的長距離壓力流輸水管道系統，全長約14．71 km，設計流量 0．366 m3/s，設計凈揚程91 m，總揚程137．3 m。分析考慮管線水力條件最不利情況，在管道首段安裝4(3用1備)臺臥式雙吸離心泵，單機功率450 kW，總裝機1 800 kW。4臺水泵并聯至1根出水母管，采用DN600的球墨鑄鐵管，機組轉動慣量15．6 kg·m2，在線路各樁號之間管壓1．0～2．5 MPa。根據管段縱斷面情況和有關規范的要求設置排氣閥的位置。共有13個排氣閥。其穩態運行壓力如圖1所示。

圖1 管道縱斷面簡圖及穩態運行壓力線Fig．1 Profile Diagram of Pipeline and Steady-State Pressure Envelope Curve

在樁號處安裝復合式排氣閥，水泵出口處安裝緩閉止回閥，不安裝調壓塔時的水錘升壓模擬如圖2、圖3所示。

不安裝調壓塔時管道升壓很高，大大超出承壓值的范圍，最大壓力超出此點承壓值約500 m(H2O)，并伴有全線斷流，對管道安全運行存在隱患，爆管危險很大。改變水泵出口閥門總關時間和快關時間對管段水錘升壓影響較小。需要進一步采取水錘防護措施來降低管道中的水錘升壓。

圖2 不安裝調壓塔時的水錘壓力線Fig．2 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

圖3 不安裝調壓塔時的水錘壓力線Fig．3 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

在樁號處安裝復合式排氣閥，在水泵出口處安裝緩閉止回閥，安裝普通雙向調壓塔時的水錘升壓模擬如圖4、圖5所示。

圖4 安裝雙向調壓塔時的水錘壓力線Fig．4 Pressure Envelope Curve after Installation Two-Way Surge Tank

采用普通雙向調壓塔后，管線升壓有了很明顯的下降，均在承壓值以內。管道系統運行安全。不同水泵出口閥門快關時間、快關角度及總關時間內其管段壓力均在承壓值以內，降壓效果良好。

在樁號處安裝復合式排氣閥，在水泵出口處安裝緩閉止回閥，安裝箱式雙向調壓塔時的水錘升壓模擬如圖6、圖7所示。

圖5 安裝雙向調壓塔時的水錘壓力線Fig．5 Pressure Envelope Curve after Installation Two-Way Surge Tank

圖6 安裝箱式雙向調壓塔時的水錘壓力線Fig．6 Pressure Envelope Curve after Installation Box-Type Two-Way Surge Tank

圖7 安裝箱式雙向調壓塔時的水錘壓力線Fig．7 Pressure Envelope Curve after Install ation of Box-Type Two-Way Surge Tank

采用箱式雙向調壓塔后，管線升壓均在承壓值以內，且基本無斷流。管道系統運行安全。

根據以上計算分析可知，安裝普通雙向調壓塔和箱式雙向調壓塔時，管道升壓均能夠保證在承壓線以下，降壓效果均良好，且基本沒有斷流現象。通過前面對普通雙向調壓塔和箱式雙向調壓塔的各自優缺點的分析比較，可以得出應選擇箱式雙向調壓塔作為最優防護方案。

3 結論

在長距離壓力流輸配水系統中，水錘防護最主要的是斷流彌合水錘的防護問題。排氣閥是長距離輸配水系統中最基本的斷流彌合水錘防護措施。采用箱式雙向調壓塔往往能達到最佳的水錘防護效果。并且，采用箱式雙向調壓塔還可以節省安裝普通雙向調壓塔時昂貴的工程設施費用，建造及維護難度也大幅度降低。所以箱式雙向調壓塔作為水錘防護措施在長距離輸水工程中的應用將越來越廣泛。

［1］金錐，姜乃昌，王興華，等．停泵水錘及其防護［M］．北京:中國建筑工業出版社，2004．

［2］趙莉，馮繼科．設置高位水池的長距離輸水管路的水錘防護研究［J］．西安文理學院學報(自然科學版)，2010，13(1):65-67．

［3］楊玉思，徐艷艷，羨巨智．長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究［J］．給水排水，2009，35(4):108-111．