箱式雙向調(diào)壓塔在長距離壓力流輸水系統(tǒng)中的水錘防護研究

高 鳳，王 鶴，張 博

(1．長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西西安 710054;2．西安市政設(shè)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(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。水錘也稱水擊，或稱流體水力瞬變暫態(tài)過程［1］。

國內(nèi)外普遍將泵站管路系統(tǒng)中所發(fā)生的各種水錘現(xiàn)象統(tǒng)稱為“泵站管路系統(tǒng)水力過渡過程”。泵站管路系統(tǒng)水力過渡過程中的水柱分離及隨后產(chǎn)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(jù)原武漢水利電力學院的水錘專家提供:生產(chǎn)實踐中的長距離輸水管路中所出現(xiàn)的管路破裂，70% ～80%與水柱分離有關(guān)［2］。由此可見，斷流彌合水錘的危害比常見的傳統(tǒng)的水錘要嚴重得多，所以長距離輸水管線的防護應(yīng)優(yōu)先考慮的是斷流水錘防護。

我國的水資源特征主要表現(xiàn)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(xù)增長和經(jīng)濟高速發(fā)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(shè)計人員亟待解決的問題。

常用的水錘防護措施主要有:根據(jù)管段縱斷面圖在管道凸點安裝排氣閥，也可根據(jù)水錘防護計算調(diào)整排氣閥的位置;在管道重要部位安裝超壓泄壓閥或調(diào)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(diào)壓塔簡介

1．1 雙向調(diào)壓塔

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

1．2 箱式雙向調(diào)壓塔

箱式雙向調(diào)壓塔是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)壓塔，是一種新型的水錘防護設(shè)備。它完全具有普通雙向調(diào)壓塔的優(yōu)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(diào)壓塔，大大降低了工程造價，從而使其廣泛應(yīng)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(qū)某縣的長距離壓力流輸水管道系統(tǒng)，全長約14．71 km，設(shè)計流量 0．366 m3/s，設(shè)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(lián)至1根出水母管，采用DN600的球墨鑄鐵管，機組轉(zhuǎn)動慣量15．6 kg·m2，在線路各樁號之間管壓1．0～2．5 MPa。根據(jù)管段縱斷面情況和有關(guān)規(guī)范的要求設(shè)置排氣閥的位置。共有13個排氣閥。其穩(wěn)態(tài)運行壓力如圖1所示。

圖1 管道縱斷面簡圖及穩(wěn)態(tài)運行壓力線Fig．1 Profile Diagram of Pipeline and Steady-State Pressure Envelope Curve

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

不安裝調(diào)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(guān)時間和快關(guān)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(diào)壓塔時的水錘壓力線Fig．2 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

圖3 不安裝調(diào)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(fù)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(diào)壓塔時的水錘升壓模擬如圖4、圖5所示。

圖4 安裝雙向調(diào)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(diào)壓塔后，管線升壓有了很明顯的下降，均在承壓值以內(nèi)。管道系統(tǒng)運行安全。不同水泵出口閥門快關(guān)時間、快關(guān)角度及總關(guān)時間內(nèi)其管段壓力均在承壓值以內(nèi)，降壓效果良好。

在樁號處安裝復(fù)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(diào)壓塔時的水錘升壓模擬如圖6、圖7所示。

圖5 安裝雙向調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)壓塔后，管線升壓均在承壓值以內(nèi)，且基本無斷流。管道系統(tǒng)運行安全。

根據(jù)以上計算分析可知，安裝普通雙向調(diào)壓塔和箱式雙向調(diào)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(xiàn)象。通過前面對普通雙向調(diào)壓塔和箱式雙向調(diào)壓塔的各自優(yōu)缺點的分析比較，可以得出應(yīng)選擇箱式雙向調(diào)壓塔作為最優(yōu)防護方案。

3 結(jié)論

在長距離壓力流輸配水系統(tǒng)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(tǒng)中最基本的斷流彌合水錘防護措施。采用箱式雙向調(diào)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(diào)壓塔還可以節(jié)省安裝普通雙向調(diào)壓塔時昂貴的工程設(shè)施費用，建造及維護難度也大幅度降低。所以箱式雙向調(diào)壓塔作為水錘防護措施在長距離輸水工程中的應(yīng)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(yè)出版社，2004．

［2］趙莉，馮繼科．設(shè)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．