在長距離高揚程輸水管道工程中噴嘴式止回閥水錘防護效果研究

陳立志+張慶坤+王一喬+蘇泉+刁美玲

摘 要：在眾多水錘防護設備中，設置空氣閥、單向調壓塔、氣壓罐、超壓泄壓閥以及水泵出口止回閥等設備，是長距離輸水管道水泵機組正常停機與事故停機水錘沖擊的有效防護措施，其中止回閥作為一種基礎防護措施，在長距離輸水管線水錘防護中得到了廣泛應用，本文重點針對噴嘴式止回閥的實際工程中的應用效果進行分析。

關鍵詞：長距離輸水 水錘防護 止回閥

1.水錘防護設備介紹

1.1止回閥

根據關閥時間及程序是否可控分為可控式止回閥和不可控式止回閥。

1.1.1可控式止回閥

即可分階段控制時間關閉的閥門，如兩階段緩閉止回閥，其作用是當停電或水泵電源跳閘時，采用分階段按程序關閉閥門。關閥分為兩個階段，各段緩沖時間可調節。第一階段可在4～60s內調節，第二階段可在10～300s內調節。

為迅速減少回水流量，閥門在關閉的前70度左右快速閉合，而剩余行程20度左右則為慢關，形成截流效應以降低動態水壓至較低水平。通過設置兩階段關閥，能消除啟、停泵水錘，保護泵房及設備安全。閥門兩階段關閉時間，可根據輸水管路具體特性經過計算具體確定。

1.1.2不可控式止回閥

傳統水力式止回閥。如噴嘴式、拍門式止回閥。其中噴嘴式主要應用于石油、天然輸送管系統中，具有便于安裝、閥瓣重量輕、行程較短、啟閉迅速；關閉時無沖擊、無噪聲；彈簧不與介質直接接觸，使用壽命較長等特點。

1.2空氣閥

空氣閥擔負著管線的排氣和負壓控制任務。在某些運行工況，如管道充水、事故檢修放空、閥門的正常及非正常啟閉、泵的正常及事故啟停機等，通過在管線中合理的布置空氣閥，既可以排出管道中的有害氣團，減小管道阻力，避免管內驟然升壓，又能在管線出現負壓時及時補氣，消除液柱分離現象，避免水錘事故。

空氣閥的分類有復合式、三級緩排式空氣閥。其中三級緩排式空氣閥可消除水錘等特殊工況下因全速排氣而加劇的壓力波動對系統的沖擊，在實際工程中多采用這兩類空氣閥配合使用。

1.3超壓泄壓閥

超壓泄壓閥也稱持壓泄壓閥（簡稱泄壓閥），泄壓保護裝置工作主要依賴于對泄壓閥滑塞內腔壓力控制，正常輸送時，滑塞在內腔設定壓力作用下將滑塞緊緊的與主閥座貼合，使泄壓閥處于正常關閉狀態，當管線發生水擊，異常升壓，超過其滑塞內腔所設定的安全控制壓力時，在壓差作用下滑塞打開，通過滑塞外腔開始泄壓并報警，當管線壓力恢復正常工作壓力時，滑塞與閥座緊緊貼合，恢復關閉狀態，停止泄放，管線恢復正常輸送。

超壓泄壓閥可現場調節動作值，以滿足工況需要，同時快開慢關的特性，以滿足較快的泄壓消除水錘，同時在關閉過程中不至于產生二次水錘，防止管中高壓或突壓毀壞管線和設備。

1.4抗水錘氣壓罐

抗水錘氣壓罐用于消減停泵水錘時連接在水泵出水止回閥后的壓力供水管道上，它利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管線中壓力變化，氣壓罐向管道補水或吸收管道中過高壓力，抗水錘原理上與雙向調壓塔類似。

盡管抗水錘氣壓罐在國內的設計和使用經驗不多，但它經過國外大量的工程設計實踐和多年的運行管理經驗，已經成為一種技術成熟的抗水錘裝置。它具有抗水錘性能全面、應用靈活、安全可靠、運行維護方面等優點。

2.工程案例分析

2.1項目概況

HLJ工程采用單線布置形式，全長112 km，前69km為泵送流，本文僅針對泵送流段輸水管線進行水錘防護效果分析。泵站從首段前池抽水送至樁號69+280處蓄水池。泵站內設3臺雙進口單吸雙級水平中開泵，2用1備。單泵流量0.58m3/s，設計揚程315m，水泵效率85%，電機效率96%，水泵轉動慣量10.2 kg/m2，電動機轉動慣量112 kg/m2。首段水池水位661m，69+280處蓄水池水位936m。輸水管道管徑主要為DN1200，部分管徑為DN1800，管材為涂塑鋼管。該段管線運行壓力如圖，本工程地形起伏不大，屬于典型高揚程長距離泵送流系統，主要防護重點是停泵時水泵出口高壓、負壓及管線末端負壓問題。

2.2水錘防護方案分析

根據本工程特點，現針對以下三種水錘防護方案進行對比分析。

2.2.1方案一（6處空氣閥+噴嘴式止回閥+超壓泄壓閥）

水泵出口安裝噴嘴式止回閥，快速關閉時間為0.15～0.3s，水泵出口超壓泄壓閥動作值3.8MPa；在樁號63+560、65+070、68+364、67+760、66+770、66+082處設置空氣閥，水泵出口止回閥在停泵后0.6s（0.74s開始倒流）開始快速關閉，用時0.15～0.3s，水泵出口超壓泄壓閥動作值3.8MPa時，水錘防護結果如圖1-2。

由上圖分析可知：該段管線負壓主要存在于管線末端7km左右，在該處合理布置空氣閥后，結合水泵出口止回閥快速關閉時間的設定，可以有效緩解末端負壓問題。該防護方案下的計算結果為最大水錘壓力361.7m，樁號3+512處；最小水錘壓力-9.3m，樁號68+942處。計算結果滿足水錘防護要求。

2.2.2方案二（74處空氣閥+噴嘴式止回閥+超壓泄壓閥）

全線正常設置空氣閥74處，水泵出口止回閥在停泵后0.6s（0.74s開始倒流）開始快速關閉，用時0.15～0.3s，水泵出口超壓泄壓閥動作值3.8MPa，水錘防護如圖1-3。

分析可知：當全線正常設置空氣閥時，末端約6km管線出現負壓，最小壓力為-15.3m，該段管線由于有空氣閥進排氣作用，水柱拉斷后所產生的斷流彌合水錘不嚴重，最大壓力為88m。全線最大壓力為379.5m。計算結果不滿足水錘防護要求。endprint

2.2.3方案三（氣壓罐+噴嘴式止回閥+超壓泄壓閥+74處空氣閥）

本工程水泵機組轉動慣量小，經模擬，事故停泵時水倒流至水泵時間較短，約為0.7s左右，如圖1-4。由于兩階段緩閉止回閥第一段關閥時間需4s以上，大于倒流時間，故建議水泵出口設置噴嘴式止回閥。并設1個8m3氣壓罐、超壓泄壓閥（泄壓值設為3.8MPa）、沿線尖點及適當距離設置空氣閥進行水錘安全防護。具體防護效果圖1-5。

分析可知：最大水錘壓力360m，樁號3+512處；最小水錘壓力-9 m，樁號68+942處。計算結果滿足水錘防護要求。

2.3方案對比

方案一采用的噴嘴式止回閥、6個空氣閥、超壓泄壓閥，負壓值為-9.3m，但在《城鎮供水長距離輸水管（渠）工程技術規程》中規定，長距離輸水管線應在0.5～1km左右設置空氣閥，此方案空氣閥個數未滿足規范。

方案二在方案一的基礎上增設空氣閥，雖然緩解了水柱拉斷后產生的斷流彌合水錘，但管線出現負壓，最小壓力為-15.3m，不滿足要求。

方案三在方案二基礎上增設氣壓罐，模擬結果的最小壓力值為-9m。

綜上所述：從定量角度分析，方案一和方案三均滿足水錘防護要求；從定量角度綜合分析，方案一和方案二中防護設備單一，安全性低。而方案三中，一旦其中一個防護設備拒動，余下防護設備還可緩解一定水錘危害，安全性能高，且空氣閥數量滿足規范要求。因此，從定量、定性綜合分析，建議本工程采取方案三。

3.結論

噴嘴式止回閥在輸水管道工程中，對于空氣閥匹配數量的敏感度較高，有局限性。若僅進行數值模擬，水錘防護結果滿足要求，但空氣閥個數可能存在不符合規范要求的情況；而空氣閥在長距離輸水工程中不僅承擔著負壓控制任務，還要承擔首次通水、日常排氣的任務，因此，在采用噴嘴式止回閥時，需在空氣閥數量滿足要求的基礎上，進行多種工況模擬、分析。

水錘防護是一項系統工作，在實際工程中必須依靠各種水錘防護設備互相協調、互相配合才能有效地對水錘進行防護。若僅采取單一防護設備，在水錘防護過程中，一個防護設備拒動，則整套防護系統無效。

參考文獻：

金錐，姜乃昌等.停泵水錘及其防護.第二版，北京：中國建筑工業出版社，2004.276～280.endprint