調壓塔對長輸管線水擊壓強消減作用

莊文建

摘要：隨著社會的發展，人們生活水平的提高，日常生活與生產中對水的需求量越來越大。所以，輸水工程的建設越來越受到人們的關注。我國的地域條件比較特殊，這對輸水規模的影響比較大，增加了輸水工程的建設難度。如何避免水擊事故并且盡量降低水擊壓強，成為當前重點關注的問題。本文重點分析了調壓塔對長輸管線水擊壓強消減作用，并且結合實際情況，加強調壓塔的作用，提高輸水工程的質量與安全性。

關鍵詞：調壓塔；長輸管線；水擊壓強；消減作用

隨著社會的發展，對于水的需求量是越來越大的，但是在目前的輸水工程的建設中，存在很多的問題。由于受地域條件的影響，在輸水過程中，水力瞬間變化會激增管道的壓力，這種壓力會使輸水管爆裂發生水擊事故，水擊事故不僅會造成很大的經濟損失，同時也帶來了嚴重的安全問題，嚴重影響輸水工程建設的發展。調壓塔在長輸管線水擊壓強方面所起的消減作用，在一定程度上避免了水擊事故的出現，并且也增加了工程的安全性。

1 調壓塔簡介及消減原理

調壓塔主要在水力瞬變過程中降低由于突然的變化帶來的水擊壓力，從而實現在水力過渡過程中控制管道的水擊壓力，并且保護機組運行條件。調壓塔在一定程度上還可以改善水輪機的調節特性。調壓塔在長輸管線水擊壓強消減方面有著很大的作用，并且在運行過程中的可靠性較高，在水力瞬變過程中已經被廣泛應用。

調壓塔主要分為單向調壓塔和雙向調壓塔。雙向調壓塔中的緩沖式水錘保護設備，不僅擁有補水功能，而且還有泄水功能。在雙向調壓塔中，當管道壓力降低時，可以迅速向管路中注水，從而增強管道中的壓強，防止由于壓強過低使得真空環境造成管道水柱分離，對輸水管造成影響。而相應的，當管路中的壓力升高時，此時雙向調壓塔就會發揮其泄水功能，降低管路中的壓力。雙向調壓塔的結構是比較簡單的，可以為工作的進行帶來很多的便利，而且對于雙向調壓塔中的設備后期管理維修工作比較少，提高了工程的效率。雙向調壓塔為了在水力波動時保證塔內的水位波動不大，一般需要較大的體積，這樣可以有足夠的斷面積，從而也提高工作的可靠性。但是雙向調壓塔所要求的高度比較大，在工程建設方面所需的成本比較高，而且施工的難度也比較大，所以難免也會產生一些問題。

雙向調壓塔一般分為圓筒式調壓塔、阻抗式調壓塔、雙室式調壓塔和差動式調壓塔四種類型，每種類型都有其特殊的作用。最為簡單的調壓塔是圓筒式調壓塔，其結構是相對簡單的，在低水頭的輸水工程中應用較為廣泛。圓筒式調壓塔自上而下都有相同的橫截面積，對于水錘的反射有相對較好的效果。可是，圓筒式的調壓塔，在塔中所造成的水體波動比較大，對塔內所造成的影響較大。相較于圓筒式調壓塔，阻抗式調壓塔通過將塔底部縮小，并且形成一個短管與主管道連接，這樣在調壓塔的底部就會存在一種阻力，從而可以降低水體的整體波動性，并且也保證塔內水位波動較小。但是，由于阻抗式調壓塔塔底結構的改變，就不具備圓筒式調壓塔發射水波效果較好的作用。雙室式調壓塔分為上下兩個儲水室，兩者共同發揮著作用，當輸水管中壓力增大時，就通過上室蓄水降低壓力，相應的，當輸水管中壓力降低時，此時下室就會通過補水，實現壓力的增高。雙室式調壓塔在上下兩室之間還有一個用于連接兩者的豎井，這種結構的調壓塔在水頭較高、水庫的工作深度較大的水利工程建設中的應用比較廣泛。差動式調壓塔由內外兩個同心圓筒、升管、溢流堰與底部的阻力孔組成。底部的阻力孔主要用于管道壓力升高所引起的調壓塔中水位迅速上升現象。而且當內筒水位較高，并且超過溢流堰時，此時多余的水就會溢出溢流堰流到外筒，從而保證水位的高度是保持在一個定值的。

對于易產生水柱分離的峰點、漆點、駝峰以及魚背等的輸水管線來說，單向調壓塔是比較適用的，在這其中單向調壓塔可以很好的發揮防止管道負壓以及消減斷流彌合水錘的作用。相比于雙向調壓塔，單向調壓塔的體積是比較小的，并且對于水流的方向是單向的，只允許水流從塔內流入管網中。通常在正常工作時，單向調壓塔的止回閥是關閉的，此時主要讓注水管向水箱內充水，當水位達到指定標準后，浮球閥就會使注水停止。當水擊波來的時候，此時止回閥會迅速打開，使得水流從塔內流出，足夠的水通過主水管利用勢差能注入管道中，從而避免水擊事故的發生，提高輸水工程建設的安全性。

2 水擊基本理論與調壓塔的水體震蕩

2.1 水擊現象的分析

在水流過程中，管路中的瞬變流現象是比較常見的，同時也是輸水工程中重點關注與需要解決的。水流過程中瞬變流現象的產生，會形成較大的壓力變化，這種壓力變化會以波的形式在管道中傳播，這就是水擊現象。在輸水過程中，水擊波傳播速度是比較快的，對管道所造成的影響比較大，并且會受管道的厚壁、材料的彈性等因素的影響。對水擊現象的分析過程中，主要是對水可壓縮性的分析。

在變壓作用下要為了更好的對水擊現象進行分析，就必須考慮管壁的彈性和水的可壓縮性，并且在對彈性水柱的分析中，可以結合對比剛性水柱理論，在一定程度上，這兩者是有共同點的，可以幫助工作更好的進行。管道的厚壁和材料的彈性對水擊波的傳播速度影響是比較大的，通過一系列的研究結果表明，管壁越薄，而且富有彈性的大口徑金屬管對水擊的降低越有利。

在水擊現象的研究過程中還有對直接水擊與間接水擊的研究與對比。直接水擊更多的是一種閥門瞬間關閉的理想狀態，在實際操作過程中是很難實現的，而在這個過程中，可以將閥門緩慢關閉過程看為一系列瞬間關閉的疊加，在這個過程中每一個瞬間關閉對于流速的影響是比較小的，而且這種微小的變化，所產生的水擊波也是比較小的，從而也形成微小壓力的變化梯度。間接水擊波主要通過閥門來控制并且減緩水擊的影響，在實際的操作過程中，主要通過合理的參數，減少直接水擊現象的產生，從而實現調壓塔對長輸管線水擊壓強消減作用。在這個過程中，關閥時間對水擊波也是有一定影響的，為了降低水擊波對輸水管道的沖擊力，需要盡量延長關閥時間，使得水擊波進行合理的疊加，對較強的水擊波可以起到一種緩沖作用。另外，為了減小水擊波的周期，可以在輸水管道工程建設時，通過對管線中設置調壓塔、空氣管的穩壓裝置來縮短管道的長度，從而可以減緩水擊現象所產生的壓力。

2.2 調壓塔的水體震蕩

調壓塔的水體震蕩現象主要是發生在塔與蓄水池之間的一種來回往復的震蕩現象，此時水擊波與管道中音速的速度傳播是比較接近的。調壓塔的水體震蕩與U形管中的水面震蕩是比較類似的，震蕩的速度比管道中的水擊波要慢，但是震蕩周期相對于較快。

調壓塔一般設置在蓄水池與產生水力瞬變的波源之間，水擊波由波源傳播到調壓塔的過程中，與調壓塔內水位有較大的關系，此時塔內的水位受塔內的壓力而變化，并且水位在調壓塔的調節下實現較為科學、合理的工作體系。調壓塔的合理設計，主要是確定調壓塔的高程與震蕩的衰減頻率和速度。在這其中，衰減的頻率是很重要的，并且這種衰減頻率還影響著閥門的重復開閉頻率，一般情況下，如果衰減頻率與閥門的重復開閉頻率相同時，可以最大程度的發揮調壓塔的作用，并且還可以降低塔內水位的震蕩幅度。如果調壓塔的設計合理，那么可以減少大量棄水的產生，促進輸水工作的正常進行，從而也為輸水工程的建設提供有利條件。

3 調壓塔對水擊壓力的消減作用

調壓塔對水力瞬變過程所產生的壓力有消減作用，調壓塔主要起緩沖作用，通過補水與泄水過程來實現對管道壓力的調節，保證輸水工作的正常進行，減少水擊事故。

3.1 簡單模型的建立

水錘的簡單模型建立是重要的一部分，水錘的計算主要用的是特征線法，計算機的快速發展在社會生產中有很大的影響力，并且計算機性能的提高，為各種工作的進行提供了很多的有利條件。特征線法是計算機在輸水建設工程中的有效應用，提高了水錘建設的精確度，并且也相應的提高了計算效率。在對水錘進行計算的過程中，將水擊基本方程式轉化為了便于計算機運算的有限差分方程，對于具體的管路系統，只需要對相應的邊界條件和參數數據進行改變，就可以快速準確的進行所需模型的計算。

為了分析調壓塔對管線中水擊壓強的消減作用，簡單的水力系統由管線、上游端水庫、調壓塔、產生水擊激勵的閥門四個部分組成，由這幾個部分構成一個簡單的動態運作的模型，從而用該模型來探究調壓塔對長輸管線水擊壓強消減作用。在這個研究過程中，可以得出的是不同的閥門其過流曲線是不同的，同時所得到的水擊波的變化規律也不相同。

3.2 調壓塔對水擊波壓力影響分析

主要通過在有無調壓塔的情況下，通過對管路的水利特性的分析，從而分析調壓塔對水擊的消減作用。

當沒有調壓塔時，通過對壓強變化的分析，可以發現離閥門端越近，其壓強是越大的。主要原因是因為，在離水庫越近的地方，其所要阻擋的水體是比較少的。在實際的過程中，主要是間接水擊在發揮作用，在離水庫較近的地方，前面產生的波還未到達前端時，后面產生的波就會與前面產生的負壓波的作用相互抵消，所以靠近閥門的節點處的管道受到的水擊壓力是比較大的。

當在輸水過程中，有調壓塔時，設置在中間位置的調壓塔就會起到穩壓面的作用，在水擊波的傳播過程中，會受到調壓塔的消減作用，與在水庫時的傳播效果是一樣的，而且在調壓塔的設置中，管線的長度作了重新的調整，相較于之前長度減少了一半，在負壓波到達閥門端時，由于正負疊加水擊壓強作用被消減。

3.3 改變調壓塔的位置所帶來的影響

調壓塔對長輸管線水擊壓強是有著消減作用的，在水擊的產生與傳播過程中，不僅要考慮流速的變化與閥門關閉速度的問題，還需要注意調壓塔的位置對水擊壓強消減作用的影響。

在研究過程中主要改變的是調壓塔與閥門的距離，從而通過對比分析來得出調壓塔位置對水擊壓強消減作用的影響。通過分析可以得出的是，當調壓塔越靠近閥門處時，末端閥門處的管段的最大壓力越小，并且此時所產生的震蕩的幅度也越小。同時還可以發現水擊波影響的管線的長度對水擊波也有很大的影響，水擊波影響的管線的長度越小，對水擊的消減效果越好。通過結論可以得出，為了更好的消減水擊波的危害，取得更好的輸水效果，可以將調壓塔設置在靠近下游水擊波產生的末端處。

4 影響水擊的管網參數初窺

4.1 管道的長度對水擊壓強調節的影響

管道的長度主要對管道中的水擊波來回的整體時間有很大的影響，從而也對水擊波的周期有一定的變化。隨著管線長度的增加，管道最大水擊壓力的值是下降的。對于水擊波的周期來說的，管道的長度越長，水擊波的周期也相應變長，而且與此同時關閥的時間是在減少的，這樣就使得間接水擊向直接水擊靠近。在長輸管線中，可以通過慢關閥門來更好的減小水擊壓力。

4.2 管道管徑對水擊壓強調節的影響

管道管徑在流量不變的情況下，主要是對管道中水體的流速會產生影響，通常情況下，管徑越大，水體的流速越小。管道管徑對水擊壓強調節的影響，對減少關閥引起的水擊壓力也有較為明顯的作用。

4.3 水庫水位高度與水擊壓強的作用

水庫的水位高度表示的是管網中的高程差，對于整個輸水系統都有較為重要的影響。當水庫水位變高時，管道中的壓力也會隨之升高，同時壓強的波動幅度也會升高。水庫水位高度的細微變化，都會對整個輸水系統的管道中的壓強有很大的影響，所以，在調壓塔設置中，一定要注意水庫水位高度的合理性。

4.4 調壓塔截面積對水擊壓強的影響

調壓塔截面積主要是對水擊壓強穩定性會產生影響。如果調壓塔的截面積比較大，那么在水擊波來回震蕩的過程中，所產生的水面起伏也是比較小的，這樣壓強是較為穩定。所以，當調壓塔的截面積比較大時，對于長輸管線水擊壓強消減效果是不理想的。所以，在調壓塔截面積對于水擊壓強的影響方面，要注意適當減小調壓塔的截面積，使得幾何尺度與管道截面積相當，充分發揮調壓塔對長輸管線水擊壓強的消減作用，保證輸水工程的正常進行，滿足社會發展的需要。

5 總結

隨著社會的發展，當前發展的重點就是滿足社會對于水的需求量，在這個過程中，需要解決的重點就是在輸水過程中所造成的水擊事故與水擊壓強。水擊壓強是受很多因素影響的，文章作了重點的分析，可是在對長輸管線水擊壓強消減過程中，調壓塔發揮著重要的作用。在實際調壓塔的設置過程中，一定要注意調壓塔位置的合理性，盡量減小調壓塔對水擊壓強的影響。在這個過程中，也要重點注意管道長度對水擊壓強的影響，最大程度的避免水擊事故的發生，提高輸水工作的安全性與可靠性。

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