長距離多級加壓輸水水錘防護方案分析

姜 越，高 鳳

(長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710054)

1 長距離多級加壓輸水工程管道壓力特點

目前對于長距離、高落差的輸水工程，當無法直接應用地形條件進行供水時，采用多級加壓供水方式，可緩解用單級加壓供水時泵站的過大壓力，使輸水系統更趨于安全。多級加壓輸水系統的各級泵站之間相互獨立，將長距離輸水系統劃分成若干段短距離輸水管道，因而水錘防護措施設置會相應變得簡單，更有利于水錘防護。

2 工程實例介紹

陜西北部某經濟工業園區供水工程，設計供水水量Q=1 000 m3/h，供水總高差約為420．00 m，采用三級加壓供水方式。輸水管道工程采用平行敷設2根DN400的螺旋焊縫鋼管(材質:Q235-A)，供水距離長約18．90 km，沿線設有排氣閥、泄水閥、排泥閥、檢修閥等及其井室。

一級加壓站，采用深井潛水泵，1用1備。Q=1 000 m3/h，H=90 m;管道流速v=1．50 m/s;管線長度約2 900 m;供水高差:66．20 m;管道承壓值為2．2 MPa。

二級加壓站，采用臥式多級離心泵，4用2備。Q=280 m3/h，H=301 m，管道流速:v=1．50 m/s。2臺水泵運行對應1根管道。管線長度約7 500 m;供水高差:245．20 m;管道承壓值為3．2 MPa。

三級加壓站，采用臥式多級離心泵，4用2備。Q=280 m3/h，H=215 m，管道流速:v=1．50 m/s。2臺水泵運行對應1根管道。管線長度約8 500 m。供水高差:131 m;管道承壓值為2．6 MPa。

3 水錘防護方案對比

針對長距離、多級加壓輸水管道特點，其水錘防護的主要措施有:(1)在水泵出口處安裝緩閉止回閥，以防止突然停泵事故水錘［1］;(2)在水泵出口安裝緩閉止回閥，結合正常排氣要求在管道上安裝復合式排氣閥或者恒速緩沖排氣閥，預防含氣型斷流彌合水錘;(3)在水泵出口安裝緩閉止回閥，在匯水總管處及管道重要部位安裝超壓泄壓閥或雙向調壓塔等，以防止緩閉止回閥不能完全消除的管道水錘升壓。

經過計算機模擬計算，為便于對比研究，下面就水泵出口緩閉止回閥兩階段關閉:快關10 s，60°;慢關110 s，30°這種工況進行方案對比。

3．1 水泵出口安裝緩閉止回閥

在水泵出口安裝緩閉止回閥，經過計算機模擬計算，得出在此種工況下管道運行時的水錘升壓情況如圖1所示。

圖1 僅在水泵出口安裝緩閉止回閥時的水錘壓力線Fig．1 Pressure Envelope Curve after Installation Slow Closing Check Valve in the Pump Outlet

由圖1可知僅在水泵出口安裝緩閉止回閥，水錘升壓大，最大水錘升壓超出管道承壓值約450 m(H2O)，且沿線斷流嚴重，對于停泵后管道中的斷流空腔再彌合水錘［2］的防護效果不理想。

3．2 指定樁號處安裝復合式排氣閥

根據規范規定并結合管路地形條件，在管道中每隔800～1 000 m安裝一個復合式排氣閥，在管道地形起伏較大處的高點增設排氣閥數量。經過計算機模擬計算，得出在此種工況下管道運行時的水錘升壓情況如圖2所示。

由圖2可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號處安裝復合式排氣閥，部分管道水錘升壓反而增大。不利于管道安全穩定運行，可以考慮將管道復合式排氣閥的位置更換為恒速緩沖排氣閥。

圖2 安裝復合式排氣閥時的水錘壓力線Fig．2 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve

3．3 指定樁號處安裝恒速緩沖排氣閥

為便于比較復合式排氣閥與恒速緩沖排氣閥的作用效果，本方案中緩沖排氣閥安裝位置同3．2中復合式排氣閥安裝位置。經過計算機模擬計算，得出在此種工況下管道運行時的水錘升壓情況如圖3所示。

圖3 安裝恒速緩沖排氣閥時的水錘壓力線Fig．3 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve

由圖3可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號處安裝恒速緩沖排氣閥，較安裝復合式排氣閥效果好一些，但地形起伏較大處水錘升壓仍然很大，對管道安全穩定運行不利。故應考慮在管道特殊部位安裝箱式雙向調壓塔。

3．4 指定樁號處安裝復合式排氣閥及箱式雙向調壓塔

由于3．2中單純安裝復合式排氣閥不能保證管道安全運行，考慮在管道匯水總管處及管道重要部位安裝箱式雙向調壓塔。經過計算機模擬計算，得出在此種工況下管道運行時的水錘升壓情況如圖4所示。

圖4 安裝復合式排氣閥及箱式雙向調壓塔時的水錘壓力線Fig．4 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve and Box-Type Two-Way Surge Tank

由圖4可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號處安裝復合式排氣閥及箱式雙向調壓塔，較僅安裝復合式排氣閥降壓效果明顯提高，幾乎所有管道最大壓力均降至承壓線以下，但部分管道最大壓力過于接近承壓值。不利于管道安全穩定運行。

3．5 指定樁號處安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調壓塔

為便于對比說明，本方案中箱式雙向調壓塔位置同3．4中調壓塔安裝位置。經過計算機模擬計算，得出在此種工況下管道運行時的水錘升壓情況如圖5所示。

圖5 安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調壓塔時的水錘壓力線 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve and Box-type Two-Way Surge Tank

由圖5可知水泵出口安裝緩閉止回閥，指定樁號處安裝恒速緩沖排氣閥及箱式雙向調壓塔，較僅安裝恒速緩沖排氣閥降壓效果好，所有管道最大壓力均降至承壓線以下，管道可以安全穩定運行。

4 方案對比思考

在長距離輸水系統中，有壓管道內氣囊運動產生的壓力升高往往類似于斷流彌合水錘，其升壓值與氣囊所占管道過水斷面的大小及氣囊運動與水流的速差有關。理論計算表明，氣囊運動引起的升壓大小不同，可能小到僅幾m水柱，大到數百m水柱，國內外實測到較大的斷流水錘升壓為200～400 m水柱。特別的是，氣囊引起的斷流彌合水錘升壓極快，往往在不到1 s(停泵水錘升壓過程一般為十幾秒～幾分鐘)就迅速升壓到最大值，因而較一般停泵水錘更難防護。

從理論上講，預防這種水錘升壓有三種途徑:(1)管道排凈氣體，保證任何狀態下都不產生氣囊運動型斷流彌合水錘。(2)用氣壓罐及同樣類型的穩壓吸壓裝置直接吸納或消滅水錘升壓波。(3)用雙向調壓塔吸收升壓波。方式(1)可通過采用性能良好的排氣閥實現正常排氣，由對工程實例的計算，可以看出恒速緩沖排氣閥的排氣效果優于復合式排氣閥，因此具有恒速緩沖功能的排氣閥具有消減斷流彌合水錘的作用，應將其作為最基本的斷流水錘防護措施。同時采用箱式雙向調壓塔和緩閉止回閥等對多處斷流彌合水錘進行防護，可使此類長距離多級加壓輸水管道的水錘防護取得良好效果。

［1］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．

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