王繼忠，董傳紅

（1.唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 唐山063000；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 引言

曹妃甸工業(yè)區(qū)供水工程是曹妃甸工業(yè)區(qū)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，供水規(guī)模年均8200萬m3（日均供水22.5萬m3），取水水源為陡河水庫，采用一次揚(yáng)水方案。取水泵站位于現(xiàn)有唐山堿廠取水泵站西側(cè)20m處，采用合建式岸邊取水泵房，總裝機(jī)容量3433kW，共安裝立式離心泵4臺(tái)，采用三用一備的運(yùn)行方式。供水工程輸水管線全長99km，兩條壓力管道輸水。

曹妃甸工業(yè)區(qū)供水工程輸水管線長，在管線上游沿地形有兩處明顯的凸部，當(dāng)水泵開、停機(jī)時(shí)，有可能引發(fā)巨大的水錘升壓，特別是停電或其他原因產(chǎn)生的事故停泵可能引發(fā)水錘事故，危及供水工程的安全運(yùn)行。

2 不同停泵水錘防護(hù)措施

2.1 增設(shè)慣性飛輪，加大機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

增加水泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的飛輪慣量，可延緩水泵機(jī)組開始倒轉(zhuǎn)的時(shí)間，減慢停泵后水泵轉(zhuǎn)速的變化，因而可避免事故停泵時(shí)水泵轉(zhuǎn)速的急劇下降，防止水柱分離。但對(duì)于大流量系統(tǒng)，需將慣性飛輪增加很大才會(huì)有明顯的效果，而增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一方面受到安裝條件的限制，另一方面給機(jī)組的啟動(dòng)帶來困難。因此，此種方法一般更適用于小流量的短管道系統(tǒng)。

2.2 增設(shè)空氣罐

空氣罐（壓力罐）是一個(gè)與管道連接、上部為壓縮空氣，下部為水的壓力容器。一旦發(fā)生事故停泵，在管道中第一階段壓力降低時(shí)，與管道連接的空氣罐罐內(nèi)空氣迅速膨脹，下部的水在空氣壓力作用下迅速補(bǔ)充給主管道以減少負(fù)壓，防止產(chǎn)生水柱分離。

空氣罐安全可靠，水錘防護(hù)效果好，其缺點(diǎn)是必須裝設(shè)專用的空氣壓縮機(jī)及其輔助設(shè)備，同時(shí)需要經(jīng)常維護(hù)，工程造價(jià)也比較昂貴。

2.3 空氣閥

空氣閥（進(jìn)排氣閥）的作用原理是：當(dāng)空氣閥處的管內(nèi)壓力降到低于1個(gè)大氣壓時(shí)，空氣閥打開，讓空氣流入；管內(nèi)壓力增加到1個(gè)大氣壓以上時(shí)允許空氣流出，從而防止管道中因負(fù)壓而造成的水錘事故。這種方法具有構(gòu)造簡單，造價(jià)低，安裝方便，不受安裝條件限制等特點(diǎn)。但目前生產(chǎn)的空氣閥，由于試驗(yàn)研究及理論研究尚不充分，故對(duì)空氣閥的選擇應(yīng)十分慎重。

2.4 普通調(diào)壓塔

普通調(diào)壓塔是1個(gè)接到管路上的開敞式豎井或水塔，其主要目的是防止壓力管道中產(chǎn)生負(fù)壓形成水柱分離。一旦管道中壓力降低，調(diào)壓塔迅速給管道補(bǔ)水，以防止或減小負(fù)壓，避免出現(xiàn)水柱分離，同時(shí)在水錘壓力上升時(shí)管道中的水倒流入調(diào)壓塔，可以減小水錘壓力上升。

普通調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，易于維護(hù)，但在正常工作時(shí)，調(diào)壓塔的水面高程與管道的壓力水頭線等高，因此調(diào)壓塔的高度、容量都較大，設(shè)置調(diào)壓塔受到地形、工程投資的約束。

2.5 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是1種只允許單向流動(dòng)的調(diào)壓塔，主要用于防止管道中產(chǎn)生負(fù)壓。與普通調(diào)壓塔相比，單向調(diào)壓塔在與輸水主管道相連的短管上裝有逆止閥，水流只能在主管壓力降低至塔內(nèi)水面以下時(shí)由塔內(nèi)向主管道充水，防止管道中壓力降低而產(chǎn)生水柱分離。另外裝設(shè)有充水管道，由主管道引水對(duì)單向調(diào)壓塔進(jìn)行充水，當(dāng)充水至控制水位時(shí)，裝在單向調(diào)壓塔中的浮球閥（或其他控制裝置）將自動(dòng)關(guān)閉充水管道，停止充水，因此可以大大降低調(diào)壓塔的高度。

圖1 單向調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)及原理

3 不同停泵水錘防護(hù)措施效果比選

停泵水錘過渡過程主要解決的問題，一是水泵出口至管線最高點(diǎn)之間的水柱分離及再彌合問題；二是管線最高點(diǎn)處的斷流問題。

針對(duì)各種水錘的特點(diǎn)，考慮以下幾種防護(hù)方案。

3.1 方案1（單向調(diào)壓塔+空氣閥）

考慮輸水管線布置的特點(diǎn)，在樁號(hào)0+150m處設(shè)置兩個(gè)并聯(lián)的單向調(diào)壓塔（即每條輸水管道上各設(shè)1個(gè)），其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 單向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)

在泵出口閥兩階段關(guān)閉的情況下，各種不同的進(jìn)、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果（防護(hù)方案1）

發(fā)生事故停泵后，當(dāng)單向調(diào)壓塔處管道內(nèi)的壓力低于單向調(diào)壓塔的作用水頭時(shí)，水從單向調(diào)壓塔流向管道，有效消除了管道內(nèi)的水柱分離現(xiàn)象，同時(shí)，單向調(diào)壓塔內(nèi)水位降低，并最終穩(wěn)定在1.48m。

單向調(diào)壓塔的設(shè)置有效消除了水泵出口至管線最高點(diǎn)之間管段的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，此管段各點(diǎn)的最大水錘壓力與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的壓力基本相同，泵出口閥后點(diǎn)的最大水錘壓力為55.32m；由于在管線最高點(diǎn)處設(shè)置了空氣閥，當(dāng)發(fā)生事故停泵后，最高點(diǎn)處的壓力低于大氣壓時(shí)，空氣閥打開，空氣進(jìn)入，切斷水流，最高點(diǎn)下游側(cè)水流呈重力流狀態(tài)，無水柱分離現(xiàn)象及大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.2 方案2（空氣閥+空氣閥）

在泵出口閥兩階段關(guān)閉的情況下，各種不同的進(jìn)、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果（防護(hù)方案2）

在樁號(hào)0+150m處設(shè)空氣閥對(duì)泵出口至管線最高點(diǎn)之間管段內(nèi)的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象有一定程度的改善作用，但由于空氣閥的保護(hù)作用有限，此管段內(nèi)的水錘壓力仍然大大超過穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的工作壓力，也大大超過管道的設(shè)計(jì)工作壓力，泵出口閥后點(diǎn)的最大水錘壓力仍然達(dá)到160.27m；由于在管線最高點(diǎn)處設(shè)置了空氣閥，當(dāng)發(fā)生事故停泵后，最高點(diǎn)處的壓力低于大氣壓時(shí)，空氣閥打開，空氣進(jìn)入，切斷水流，最高點(diǎn)下游側(cè)水流呈重力流狀態(tài)，無水柱分離現(xiàn)象及大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.3 方案3（普通調(diào)壓塔+單向調(diào)壓塔）

普通調(diào)壓塔位于管線最高處，該處的管軸線中心高程為71.52m，由于在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，普通調(diào)壓塔內(nèi)的水位與壓力水頭線等高，因此，在進(jìn)水池水位分別為最低水位28.62m，平均水位32.70m和最高水位40.80m的條件下，塔內(nèi)水位高程分別達(dá)到86.95m、90.03m和96.13m，相應(yīng)水深分別為15.43m、18.51m和24.61m。另外，由于管線最高處的高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出水池的水位4.0m。因此，在管線出口無斷流措施的情況下，不論普通調(diào)壓塔的容積有多大，隨著時(shí)間的延長，普通調(diào)壓塔內(nèi)的水體最終會(huì)流空。

假設(shè)在普通調(diào)壓塔的容積足夠大，足以保證在計(jì)算時(shí)段內(nèi)水體不流空的條件下，對(duì)方案3的水錘防護(hù)效果進(jìn)行分析。

采取方案3的防護(hù)措施后，在泵出口閥兩階段關(guān)閉的情況下，各種不同的進(jìn)、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果（防護(hù)方案3）

當(dāng)單向調(diào)壓塔處管道內(nèi)的壓力低于單向調(diào)壓塔的作用水頭時(shí)，水從單向調(diào)壓塔流向管道，有效消除了水泵出口至管線最高點(diǎn)管段內(nèi)的水柱分離現(xiàn)象，同時(shí)，單向調(diào)壓塔內(nèi)水位降低。

管線最高點(diǎn)處的普通調(diào)壓塔將管線分為兩段，前面一段水體由水泵提升，普通調(diào)壓塔后面的一段為重力流。由于單向調(diào)壓塔的設(shè)置，水泵出口至普通調(diào)壓塔的管線中無大的水錘壓力出現(xiàn)，泵出口閥后點(diǎn)的最大水錘壓力為63.41m；而普通調(diào)壓塔后面的一段，由于水流為重力流，也無大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.4 方案4（普通調(diào)壓塔+空氣閥）

采取方案4的防護(hù)措施后，在泵出口閥兩階段關(guān)閉的情況下，各種不同的進(jìn)、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 事故停泵水錘計(jì)算結(jié)果（防護(hù)方案4）

在0+150m處設(shè)置的空氣閥不能消除水泵出口至管線最高點(diǎn)間管段內(nèi)的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，泵出口閥后點(diǎn)的最大水錘壓力仍然達(dá)到145.62m，此管段其他各點(diǎn)的最大水錘壓力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道的設(shè)計(jì)工作壓力。

由于在管線最高點(diǎn)設(shè)置了普通調(diào)壓塔，因此，普通調(diào)壓塔后的管段內(nèi)為重力流，在事故停泵過渡過程中無大的水錘壓力出現(xiàn)。

4 結(jié)語

（1）由前述4個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果可知，僅僅在樁號(hào)0+150m處設(shè)置空氣閥，不能有效消除水泵出口至管線最高點(diǎn)之間的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，不能將最大水錘壓力控制在管道設(shè)計(jì)工作壓力范圍內(nèi)，而在相同位置設(shè)置單向調(diào)壓塔，則可有效減小水錘壓力，并將其控制在管道設(shè)計(jì)工作壓力范圍內(nèi)。

（2）在管線最高點(diǎn)設(shè)置普通調(diào)壓塔和空氣閥均可有效消除事故停泵后最高點(diǎn)處的負(fù)壓現(xiàn)象，切斷水流。但設(shè)置普通調(diào)壓塔的高度要高于最大壓力水頭線，其高度將超過15m（進(jìn)水池水位最高時(shí)，普通調(diào)壓塔的高度將超過24m），增加了工程建設(shè)的投資。

（3）經(jīng)方案比較，本供水工程采取的水錘防護(hù)措施為：泵出口閥兩階段關(guān)閉，快關(guān)5s/70°；慢關(guān)20s/20°，在樁號(hào)0+150m處設(shè)置單向調(diào)壓塔（每條管1個(gè)），經(jīng)優(yōu)化確定，其結(jié)構(gòu)尺寸為：直徑D=2.5m、正常水深H=3.0m、補(bǔ)水管直徑Dp=0.25m（兩條）；在管線最高點(diǎn)處設(shè)置空氣閥，空氣閥的口徑為Dg=300mm。

（4）在管線出口末端無斷流措施的條件下，管線最高點(diǎn)處不論是設(shè)置普通調(diào)壓塔或是空氣閥，均會(huì)出現(xiàn)隨著時(shí)間的延長，最高點(diǎn)以下管道內(nèi)水體流空的情況，從而給系統(tǒng)的重新投入運(yùn)行帶來困難。因此，必須考慮在管線出口設(shè)置斷流措施。

［1］劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護(hù)［M］.北京:水利電力出版社，1998.

［2］劉光臨，劉梅清，馮衛(wèi)民.采用單向調(diào)壓塔防止長輸水管道水柱分離的研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2002（9）:44-49.