雙向調壓塔在長距離密閉輸水管線中的應用

譚艷芳

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

大伙房水庫輸水工程是遼寧省重點基礎設施建設項目，是解決遼寧中南部地區水資源短缺問題的戰略性工程，包括從遼寧東部地區向大伙房水庫調水的一期工程和從大伙房水庫向受水城市供水的二期工程。

二期工程采用長距離、多目標、大流量的密閉壓力輸水系統，其中鞍山以上為重力流輸水方式，鞍山以下為串聯加壓輸水方式。輸水線路全長261km，包括29.1km隧洞及連接段和231.9km輸水管道。由于管線的選址和沿線水庫的位置關系，基于工程投資及運行安全等諸多因素考慮，本工程在大伙房水庫至鞍山加壓站之間的干線上共設置了6座雙向調壓塔，作為系統平壓補水、保障安全的重要措施。其各調壓塔布置情況見圖1。

圖1 大伙房水庫輸水(二期)工程調壓塔布置

2 設置主要目的

大伙房水庫輸水(二期)工程距離長、密閉有壓且中間無任何調蓄設施，調壓塔的設置，其核心是起到超壓泄壓、負壓補水，防止斷流和斷流彌合水錘發生。主要表現為：?全線停水關閥時，有效降低靜水壓線，保證管線壓力在工作壓力之內；?閥門動作和泵組啟動時，有效平定上下游管線正壓和負壓；?將密閉長輸管線分割成若干個水力控制和壓力控制相對獨立的單元。

調壓塔的設置，有效避開了按最大壓力選擇輸水管道的工作壓力，大大降低了工程投資；同時保證各種運行工況時不溢流前提下，輸水系統出現靜壓時盡量接近管道工作壓力。設置調壓塔后，輸水管道的工作壓力不超過0.6MPa。

3 結構及特征參數

3.1 雙向調壓塔的結構型式及工作原理

根據大伙房水庫輸水(二期)工程實際地形情況，并結合各種工況水壓線考慮，工程沿線共設置6座雙向調壓塔，主要以倒U形管為主，其結構由水平進水管、90°連接彎頭、進水豎管、拱形連接管、泄水豎管、消能孔板、水墊層、泄水三通、水平泄水管等組成。其結構類似虹吸管，見圖2。

圖2 雙向調壓塔結構示意圖①-水平進水管；②-進水管豎向彎頭；③-進水豎管；④-豎向連接法蘭；⑤-樓板；⑥軟連接固定裝置；⑦-空氣閥；⑧-通氣孔；⑨-拱形連接管；⑩-進泄水連接管；-連通閥；-混凝土支墩；-泄水豎管；-消能孔板；-泄水三通；-水墊管；-泄水水平管；-壓力計；-水位計

當管道正常運行時，調壓塔水壓等于管道工作壓力；當由于關閥等產生正壓水錘時，頂部空氣閥排氣和吸氣，泄水豎管溢流泄壓；當由于突然停泵等產生負壓水錘時，通過進水豎管向主管道內補水補氣。為防止溢流時由于復雜流態而引起U形管振動或晃動，利用3cm厚橡膠墊片外加固定鋼圈設置軟連接裝置與樓板連接，同時頂層設置混凝土支墩支撐固定拱形連接管。

3.2 特征參數及物理意義

1號調壓塔位于輸水隧洞段，為高位水池，其余各調壓塔均采用倒U形管結構型式。各雙向調壓塔的特征參數見表1。

表1 雙向調壓塔特征參數

由表1可見，相鄰兩座穩壓塔的間隔在16～39km之間，其中3號塔與4號塔間距較大是因為在沈陽二配水站設置了干線調節閥；5號塔與6號塔間距較大，主要考慮此區間壓力曲線平緩，壓差較小。調壓塔底部進水管與管頂平接，進水管底高程即為管頂高程；頂部出水管高程即調壓塔溢流水位。當管線壓力升高至調壓塔頂高程并繼續上升后，則穩壓塔開始溢流，并維持系統壓力不超過調壓塔頂部壓力標高。

為減少當輸水管線的實際流量低于設計流量或水庫水位高于120m時調壓塔發生溢流的概率，運行中利用設在撫順配水站和沈陽二配水站處的干線調流閥配合進行減壓。

4 運行分析

大伙房水庫輸水(二期)工程自2010年底通水，干線各雙向調壓塔正式投入運行。由于工程運行初期，沿線供水量較小，管線運行壓力相對較高，在調度中充分利用干線調節閥進行降壓，減少調壓塔的溢流頻次和溢流量，保證管線動水壓力不超設計值。

4.1 運行水位控制

由于所處的位置和沿線水量分配的差異，本工程6座雙向調壓塔的水位調控差異較大。根據運行現狀，主要溢流瓶頸為沈陽一處的3號塔、沈陽二至遼陽區間的5號塔。各調壓塔運行水位見表2。

表2 1～6號調壓塔運行控制水位

4.2 典型工況運行分析

4.2.1 大連支線增量

大連支線接管點位于鞍山加壓泵站，在輸水管線的下游。距離接管點最近的調壓塔為6號塔。由于大連支線供水量較大(60萬m3/d)，由0增至60萬m3的過程全線壓力大幅波動，3號、5號調壓塔出現大量溢流。整個增量過程調壓塔的平壓作用顯著且反應迅速。典型調壓塔壓力隨時間變化曲線見圖3～圖6。

圖3 1號塔壓力變化曲線

圖4 3號塔壓力變化曲線

圖5 5號塔壓力變化曲線

圖6 6號塔壓力變化曲線

其中，1號塔受撫順干線調節閥的影響成階梯上升，3號塔伴隨出現溢流。為了保證下游壓力水頭盡量富余，5號塔保持較長時間溢流，壓力波動幅度在10m左右。6號塔瞬時有升壓，隨著大連支線閥門的開啟迅速降低，最終趨于平穩。

在計劃性增量過程中，壓力變化可控性高，突變拐點較少，整體變化趨勢呈階梯上升，階梯下降，最后趨于平穩。主要原因是增量過程分階段執行，同時沈陽二干線調節滯后撫順干線3min，支線調節滯后干線調節5min左右。

4.2.2 沈陽二支線事故關閥

沈陽二支線水廠閥門突然自行關閉，導致事故停供，支線水量由48萬m3/d減至0。由于是突發狀況應對，在事故發生初期系統壓力主要靠調壓塔進行調節。由于受沈陽二干線調節閥的控制，沈陽二支線事故停供發生后對下游壓力影響最大也最直接，4號塔瞬時升壓5.9m，5號塔溢流。1號、3號調壓塔的壓力波動主要受調度干預的影響。整個過程1號、3號、5號調壓塔壓力隨時間變化情況見圖7～圖10。

圖9 4號塔壓力變化曲線

圖10 5號塔壓力變化曲線

事故關閥為突發性狀況，由于調控滯后的原因，系統壓力曲線峰值點或峰谷點顯著。后期人為調控后，壓力逐漸恢復。整個壓力波動趨勢呈由高點不斷下降或由低點不斷上升的狀態。

4.2.3 干線局部管線停運

沈陽二支線5號塔A線檢修停運，該區間運行管線由雙線變為單線。為保證下游供水不小于設計水量70%，大連支線供水量配合由60萬m3/d減至20萬m3/d。該操作為計劃性檢修，上下游截斷閥的關閉規律為不小于900s線性關閥。由于單線水頭損失的增加，4號塔的壓力波動幅度最大達到20.5m，在后續大連支線配合減量后逐步回升。5號塔在整個過程一直處于降壓，始終處于補水平壓狀態。調度過程各調壓塔壓力變化見圖11～圖14。

圖11 1號塔壓力變化曲線

圖12 3號塔壓力變化曲線

圖13 4號塔壓力變化曲線

圖14 5號塔壓力變化曲線

管線的切除過程，雖為計劃性操作，但較水量增減對系統影響而言，影響程度和范圍都更大。為了盡量保持平穩過渡，沈陽二至5號塔區間管線切除分為沈陽二至4號塔、4號塔至5號塔兩個區段的切除。在切除段上游，壓力曲線由于減量先降低，管線切除后升高；在切除斷下游，壓力呈顯著降低趨勢。根據恒定流水力計算，穩壓塔壓力波動幅度及最終的壓力水平與理論計算結果吻合。

在典型運行工況下干線各調壓塔壓力變化與上下游相關聯的壓力節點呈現了相符的變化規律，且反應迅速、溢流及時暢通。調壓塔的運行，有效減少了系統壓力大幅波動的時長，發揮了良好的平壓補水、控制和降低系統壓力的調控作用，保護了管線及設備。同時，由于調壓塔的分割，密閉系統劃分為相對獨立的水力控制單元，降低了輸水系統調度運行的難度。

調壓塔在日常運行中，特別是在東北地區，冬季保溫是安全運行的重要保障。為防止調壓塔因凍結失效，可采用增加備用閘閥和波紋管、在溢流面增加電加熱管、在管道表面增加伴熱帶等措施。此外，可在溢流口、抽排口設置防凍水泵。

5 結 語

大伙房水庫輸水工程雙向調壓塔運行至今，尚未出現結構上的損壞和因運行異常而導致的各類安全事故和工程事故。雙向調壓塔在實際運行中充分發揮了超壓溢流、負壓補水的功能，在極端典型工況下控制可靠、靈活，在調流、調壓方面起到了關鍵作用。實踐證明，雙向調壓塔在長距離、密閉有壓的輸水管線系統中應用是安全可靠的。雙向調壓塔在密閉輸水管線上的設置間隔應綜合考慮沿線水力坡降、壓力水頭、調控設施等因素，一般情況宜在20km左右。合理選擇泄水豎管消能孔板的數量及尺寸、降低頂部負壓和軟連接減振措施是U形管結構雙向水力調壓塔設計的關鍵，大伙房水庫輸水工程雙向調壓塔的成功應用，可為同類工程提供借鑒。