長距離有壓輸水管道系統(tǒng)中水錘的主動防御

楊勇智雷蕾張雁

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院陜西西安710018）

長距離有壓輸水管道系統(tǒng)中水錘的主動防御

楊勇智雷蕾張雁

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院陜西西安710018）

傳統(tǒng)長距離有壓輸水系統(tǒng)中的水錘防御設備依靠水力與壓力觸發(fā)的機械或液壓執(zhí)行方式，只能依照水錘形成－壓力傳導－機構觸發(fā)執(zhí)行的被動式防護模式運行，本文論述一類具有新型的具有主動檢測、提前判斷、前導執(zhí)行的主動式水錘防御及防護設備的原理及運行模式，及其對有壓輸水系統(tǒng)安全性及經(jīng)濟性的影響；并簡述了此類主動式防御設備與自控系統(tǒng)綜合應用的發(fā)展方向。

壓力管道；水錘；主動式防御

前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術的進步，采用管道輸水的范圍及領域越來越廣，傳統(tǒng)的被動式水錘防護方法與設備也被廣泛的應用在管道輸水的安全防護中，但隨著輸送距離、設計壓力、輸水規(guī)模的增大，水錘對輸水管道的危險性也越來越高，被動式水錘防護設備體積隨之增大，結構復雜度也越來越高，水錘防護設備成本在輸水工程中所占比重也不停增大，制約了部分長距離輸水工程的新建與擴建。本文簡單論述一類基于主動檢測、提前判斷的主動式水錘防御及防護設備的原理及其在有壓輸水管道中的應用，以期減小水錘防護設備的體積及結構復雜度，降低輸水管道系統(tǒng)，特別是長距離高水頭輸水管道工程中水錘防護成本，并促使輸水管道系統(tǒng)更加主動的管理自身安全。

1 水錘基本概念

壓力管路中，由于流速劇烈變化引起動量轉化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急劇的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。

水錘的約克夫斯基公式：

ΔH=ΔV*C/g式(1)

其中：

ΔH——表示壓力升高；

ΔV——表示水流速度的變化率；

C——表示水錘波的波速；

g——表示重力加速度。

上述公式基本上解釋了水錘，即壓力波，產(chǎn)生的原因和影響其大小的因素。

在壓力輸水工程中，能夠引起流速壓力變化而導致水錘的因素很多，常見的因素有：（1）水泵的正常或事故啟動或停止；（2）閥門的正常開關和調節(jié)，閥門故障；（3）管道的事故堵塞或泄露；（4）容器壓力的變化及波動；（5）負壓波時產(chǎn)生的空泡潰滅。

圖1 水錘壓力波傳導模型

2 水錘防御原理

根據(jù)約克夫斯基的理論公式，我們可以得到如下的結論：減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機械波的傳遞速度。系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會減弱，水錘就可以得到控制，基于這一理論便產(chǎn)生了一系列的水錘防御工程方案及設備。

3 傳統(tǒng)被動式水錘防御

早期的水錘防御思路認為，當水錘發(fā)生后，管路中的流速、壓力等水力學指標隨之發(fā)生強烈變化，當檢測到或依據(jù)工程經(jīng)驗預計到水力要素的發(fā)展趨勢，采用設施或設備防止這種變化趨勢的擴大，以便減小對管路系統(tǒng)的危害，即后知后覺式的防御，非真正意義上的防御。其防御過程如下：

水錘發(fā)生→壓力超標→水力(機械)推動→啟動設施(設備)→釋放(緩沖)壓力→壓力達標→水力(機械)推動→關閉設施(設備)

基于防御式思維的水錘防御方案即為被動式水錘防御方案。

傳統(tǒng)的被動式水錘防護設施主要有：單向水池，調壓塔等；防護設備多采用機械式的排氣吸氣閥、緩閉閥、調壓閥、超壓泄壓閥等機械式或是水力控制式閥門或設備組成。

4 主動式水錘防御

4.1 主動式水錘防御原理

主動式水錘防御設備通過感應水錘發(fā)生的前兆或引起水錘的起因條件，提前開啟泄壓設施設備并維持開啟以消除水錘產(chǎn)生的壓力波動。

主動式水錘防御設備是由以前純水力式水錘防御設備發(fā)展而來，多為將智能控制系統(tǒng)與水力控制閥（或設備）結合，用于有壓輸水系統(tǒng)。

4.2 主動式水錘防御設備

（1）壓力波動預止閥

壓力波動預止閥是一種在正常工況下保持常閉，而在事故工況時打開的事故型閥門。壓力波動預止閥在管道內(nèi)首次出現(xiàn)壓力下降時便打開，其工作原理是，讓返回的水錘波無阻礙排放，以消除高壓水錘。

壓力波動預止閥的數(shù)學模型如圖2所示，圖中③和④為閥門前后管號。動預止閥開始啟動工作。

圖2 壓力波動頂止閥數(shù)學模型

式中：HP3,NS和(HP3,NS)0分別為閥門上游節(jié)點NS任意時刻的測管水頭；

χ為開啟設定壓力系數(shù)，取值0＜χ＜1。

壓力波動預止閥在水錘壓力波未開始傳播前基于設定的風險因素指標提前打開閥門泄壓，使得水流速變化率極小，壓力波動因此不會很大。這與在高壓出現(xiàn)時打開的安全閥不同，能夠保證及時泄壓。而安全閥則是當壓力超過設定值時打開，但是往往因為在水錘高峰值到來時的速度太快，時間太短，安全閥沒有足夠的時間打開，因此安全閥的效果難以保證。

壓力波動預止閥的主動式防御原理不僅降低了管路系統(tǒng)最高水錘壓力的峰值，同時有效率和安全性高于被動式水錘安全閥門設備。

（2）水錘預防閥

水錘預防閥是主動防御型水錘防護設備，它是將智能控制系統(tǒng)和一個水力控制主閥結合在一起，用于輸水系統(tǒng)，通過感應水錘前兆或引起水錘的起因條件（突然降壓或者空然斷電或二者相伴）提前開啟消除水錘并維持開啟，最大限度地保護系統(tǒng)免受水錘的危害。水錘預防閥是由以前純水力式水錘預防閥發(fā)展而來，改進了純水力的不能維持可靠延時、誤開啟、開啟后難以關閉等等缺點。

它是由水力控制主閥、導閥和水力控制系統(tǒng)等組成。其工作原理如圖3。

圖3 水錘防御閥工作原理

圖4 壓力波動預止閥在泵站的應用

表1 壓力波動預止閥特性表

作為主動防御型水錘防護設備，水錘預防閥的壓力開關感應管道壓力突降，電磁導閥感應水錘前兆或事故斷電等前導因素后，PLC控制單元通過控制電磁導閥打開主閥泄水。消除水錘沖擊波。

（3）水泵控制閥

水泵控制閥也屬于主動式水錘防護設備的一種，在某些工況下，由于一臺水泵開停，或者因水泵站水泵常開停、頻繁切換等工況而產(chǎn)生壓力波動時，或水泵站運行自動化程度較高時，在水泵之后建議選擇水泵控制閥。該種閥門一般與水泵進行開啟和關閉的過程控制，由PLC或專用水泵控制閥專供的控制盒完成。

在水泵開啟時，閥門緩開起到背壓啟動的目的，使得水泵啟動安全。甚至可以調節(jié)閥門開啟的設定壓力，如規(guī)定閥門在3bar時打開等。在水泵關閉時，可以實現(xiàn)“主動關閉”，即閥門先行關閉，至完全關閉或者關閉至97%等設定點時，水泵開始關閉，減小流速的變化率，阻止水錘的發(fā)生。

水泵控制閥亦可以解決由于關泵不當而產(chǎn)生的水錘。一旦檢測到事故斷電等風險因素后，水泵控制閥為速閉型止回閥，不等水錘波返回而快速主動關閉，達到保護水泵的目的，做到真正的主動式水錘預防。

4.3 主動式水錘防御設備的應用

壓力波動預止閥主要應用于水泵機組出水干管起端旁通支管（圖4）以及壓力輸水管路V型管段最低點的旁通管路上，通過提前檢測到的壓力波動達到提前開閥，泄放水錘壓力，主動防御水錘破壞的作用。可替代調壓塔，空氣壓力罐等傳統(tǒng)大體積被動水錘泄放設備，其相對的主要優(yōu)缺點見表1。

水錘預防閥與水泵控制閥都是由機械或液壓機構加PLC電控單元組成的主動式水錘防御安全閥，但兩者由于應用特性的不同其相應的結構單元及PLC控制單元又有所區(qū)別，水錘預防閥主動應用于輸水壓力管道水錘危害薄弱節(jié)點，具有迅速開啟及時關閉的工作特性；而水泵控制閥主要應用于泵站機組出水管路，防止水錘對機組的危害，由于泵站水錘的成因及種類相對壓力管道更為復雜多變，需實現(xiàn)諸如緩慢開啟、延時關閉等特性，所以水泵控制閥的結構單元及PLC控制更為復雜。

5 結語

傳統(tǒng)機械及液壓式水安全閥由于及結構特性無法實現(xiàn)的許多主動操作，或是實現(xiàn)后由于水質、水壓、含沙量等問題導致的執(zhí)行效率及保證率不高的問題，大部分都可由加入PLC電控單元的方式解決，其在主動監(jiān)測、提前執(zhí)行、平抑水錘峰值、降低配套安全設備成本及安全執(zhí)行保證率方面都具有傳統(tǒng)設備不能比擬的優(yōu)勢。且隨著工程供電水平的提升及太陽能供電設備及無線通信設備的發(fā)展，原來由于供電條件及遠程控制通信能力限制的此類主動式水錘防御設備將更多的應用于長距離輸水管路的站點及沿途管段。且隨著建設水平的上升，此類閥門的控制單元可與輸水工程自控系統(tǒng)聯(lián)接，可預防的風險因素將進了步增加，并實現(xiàn)多閥聯(lián)合調度執(zhí)行，進一步提高壓力輸水工程的系統(tǒng)性安全。陜西水利

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（責任編輯：唐紅云）

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