真空吸氣閥與單向調壓塔在長距離多起伏管線中的水錘防護研究

張旭峰 陳立志 劉先念

(大連市供水有限公司 116021)

我國長距離輸水管線距離長、起伏大，使得設備的優化選擇存在難度。本文結合工程實例，建立水錘防護設備模型，對比真空吸氣閥和調壓塔水錘防護方案事故停泵時水錘防護效果，經技術、經濟比較后確定一個較佳的水錘防護方案［1］。

1 水錘防護設備模型建立

針對長距離、起伏大的輸水管線，水錘防護設備有單向調壓塔、真空吸氣閥、空氣閥等［2～5］。

1.1 單向調壓塔

單向調壓塔在泵站附近或管道的適當位置修建，單向調壓塔的高度低于該處的管道壓力。單向調壓塔的注水管上裝設有逆止閥，當管道內壓力低于塔內水位時，調壓塔向管道補水，防止水柱分離，避免彌合水錘。單向調壓塔的幾何高度及容積較雙向調壓塔可大大降低，其幾何高度及容積相對較小，經濟合理，但其對停泵水錘以外的水錘如關閥水錘的降壓作用有限［8］。由于單向調壓塔是靠塔內水位與管道內壓力差，在重力作用下進行補水防止水柱分離的，因此其保護范圍僅為塔內最高水位以下的管道部分［9］。此外，單向調壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導致發生較大的水錘。

計算公式為

當Hp3≤Hp，Qp3=0 時

以上式中 Qp1——流經調壓塔前管內流量，m3/s;

Qp2——流經調壓塔后管內流量，m3/s;

Qp3——流出調壓塔流量，m3/s;

Ca——調壓塔出口流量系數;

AP——補水短管的過流面積，m2;

HP3——調壓塔水位，m;

HP——管中壓力，m;

Smax——調壓塔內浮球閥控制最高水位(常數)，m;

Z ——塔相對于基準面高度，m;

Q3——塔內流量，m3/s;

Δt——調壓塔出流時間，s;

F ——塔斷面面積，m2。

1.2 真空吸氣閥

真空吸氣閥在系統出現負壓狀態時可迅速開啟，自動向系統中補入大量空氣。真空吸氣閥安裝在管線的坡峰處，與空氣閥相結合，一定程度上可起到調壓塔的作用。在管線發生爆管或排水閥損壞失效情況下，水流速度過快，極易形成真空，此時空氣閥的吸氣功能不能完全防止真空的出現，會導致爆管情況發生。在此處設置真空吸氣閥可有效防止真空的出現［10］。

空氣以亞音速等熵流進(P0＞P ＞0.5283P0)時，計算公式為

Cin——空氣流入空氣閥時的流量系數;

Ain——空氣閥的進口面積，m2;

P——空氣閥內絕對壓力，MPa;

P0——大氣絕對壓力，MPa;

ρ0——大氣密度。

空氣以臨界流速等熵流進(P≤0.5283P0)時，計算公式為

式中

式中 R——氣體常數;

T0——大氣溫度，K。

2 水錘防護設備模型求解

水錘計算方法較多，研究采用特征線法［6，7］。特征線法基本原理是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。本研究采用特征線法［6，7］求解。水錘計算的特征差分方程為

QL1、QL2——管道L1、L2 兩點的瞬態流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 兩點的瞬態水頭;

CT、Cn——水錘特征沿程的特征參量;

Ca——管道的特征常數;

Cf——管道的摩阻性常數;

g——重力加速度;

a——水錘波速;

f——管道的阻力系數;

Δt——選定時間步長;

D——管道直徑;

A——管道過流面積。

3 工程實例

3.1 工程簡介

大伙房水庫輸水應急入連南段工程為泵送單管輸水，前端水池水位為122.98m，后端水池水位為131.89m，管線全長36.3km，均為鋼管，承壓能力為1.3MPa(局部1.4MPa)，前段28.9km 管線直徑為1800mm，后段7.4km 管線直徑為1600mm。在距離管線起端1520m 處有泵站一座，泵站前為重力流輸水。

該管線多起伏，類似于多個U 形管連接在一起。泵站內設有3臺DN300 壓力波動預止閥，每臺水泵后設有一臺緩閉液控止回閥。管線上設計有48個緩閉式空氣閥，口徑為DN200mm。

該工程穩態模擬計算結果見圖1。

圖1 管線穩態運行狀況

分析可知:管線穩態運行時，管線各處自由水壓遠小于承壓能力，管線承壓能力滿足穩態需求。

3.2 水錘防護方案模擬計算

在現有設備條件下(即全線空氣閥方案)，水錘防護效果見圖2。

圖2 事故停泵水錘壓力包絡線

分析可知:事故停泵后局部管線負壓嚴重，現有設備不能滿足水錘防護要求，有必要增加水錘防護設備。

研究針對前述三種水錘防護設備，即真空吸氣閥、單向調壓塔、空氣閥，分別給出一個可行的水錘防護方案，進行優化比較。

3.2.1 方案一(單向調壓塔)

該方案在原設計基礎上管線A、B 兩處分別增加雙向調壓塔1個，其中A 處的單向調壓塔塔高10m，直徑3m，水深6m;B 處的單向調壓塔塔高8m，直徑2.4m，水深5m。并且A、B 兩處均增加一個DN200的緩閉式空氣閥。計算結果見圖3。

分析可知:事故停泵時，全線最大水壓110.2m，管線起端有較長的負壓段，最小壓力達到-4.8m，滿足防護需求。

3.2.2 方案二(真空吸氣閥)

方案二相對于方案一，用真空吸氣閥代替A、B 兩處的單向調壓塔，A、B 兩處的真空吸氣閥口徑均為300mm。并且A、B 兩處均增加一個DN200的緩閉式空氣閥。計算結果見圖4。

圖3 方案一事故停泵管道水錘壓力包絡線

圖4 方案二事故停泵管道壓力包絡線

分析可知:事故停泵時，全線最大水壓86.3m，管線起端有較長的負壓段，最小壓力達到-3.6m，滿足防護需求。

3.3 方案比選

在采用不同設備獲得可行的方案后，研究通過技術經濟比較，確定一個較優的水錘防護方案。

3.3.1 技術性能比較

由圖3、圖4的分析可知:方案一泵后有較大壓力產生，同時管線存在負壓段，水錘防護效果較差;方案二效果比方案一好。方案一由于罐體儲水易滯水而造成污染，相比之下方案二具有最好的水質保護功能。

3.3.2 經濟性能比較

方案二調壓塔單獨使用不能滿足需求，還需要配合使用兩個DN200的空氣閥。且塔的容積較大，工程量大，而且施工易受地形限制而有一定難度。在東北地區使用還需考慮冬季保溫問題;方案二僅使用真空閥和空氣閥，安裝快捷簡單，不受地形限制，管理方便。

3.3.3 方案的確定

綜合比較上述兩個方案，方案二設備安裝簡單快捷而不受地形限制，以較小的費用獲得了較好的水錘防護效果，對于防止水污染也有較好的性能。且設備簡單、最易于實施，最終被確定為最佳方案。

4 結 語

對比分析單向調壓塔、真空吸氣閥兩種水錘防護設備的性能及適用范圍，以大伙房水庫輸水應急入連工程為例，通過大量計算分別獲得可行的方案，并對比分析各方案技術、經濟性能，最終確定真空吸氣閥為最優水錘防護方案。

對于形如多U 形管串連的長距離輸水管線，如果管線波峰處高程差不大，管線首尾水池水位高差也不大，那么在管線波峰處采用真空閥與空氣閥，水錘防護效果非常好，而且造價低廉、易于實施。

在長距離輸水管線水錘計算結果還存在一定并不確定性時，要通過大量的反復計算確定水錘防護設備。?按照設備性能特點選擇設備，依據計算分析確定設備位置;?多計算，通過防護效果確定設備型號;?制定幾個可行的方案，技術經濟比較后最終確定方案。

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