高 鳳，王 鶴，張 博

(1．長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;2．西安市政設(shè)計(jì)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(dòng)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(chēng)為水錘現(xiàn)象。水錘也稱(chēng)水擊，或稱(chēng)流體水力瞬變暫態(tài)過(guò)程［1］。

國(guó)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(chēng)為“泵站管路系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程”。泵站管路系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程中的水柱分離及隨后產(chǎn)生的斷流再?gòu)浐纤N(即空腔潰滅水錘)，對(duì)遠(yuǎn)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(xué)院的水錘專(zhuān)家提供:生產(chǎn)實(shí)踐中的長(zhǎng)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(jiàn)，斷流彌合水錘的危害比常見(jiàn)的傳統(tǒng)的水錘要嚴(yán)重得多，所以長(zhǎng)距離輸水管線的防護(hù)應(yīng)優(yōu)先考慮的是斷流水錘防護(hù)。

我國(guó)的水資源特征主要表現(xiàn)為時(shí)空變化極大、時(shí)間和空間分布不均，在水資源供求上存在矛盾。近年來(lái)由于人口持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)長(zhǎng)距離輸水工程越來(lái)越多，距離越來(lái)越長(zhǎng)，像山東的引黃濟(jì)青、陜西引黃入晉等。在長(zhǎng)距離輸水中如何進(jìn)行有效的水錘防護(hù)是科研、設(shè)計(jì)人員亟待解決的問(wèn)題。

常用的水錘防護(hù)措施主要有:根據(jù)管段縱斷面圖在管道凸點(diǎn)安裝排氣閥，也可根據(jù)水錘防護(hù)計(jì)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(jiǎn)介

1．1 雙向調(diào)壓塔

對(duì)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(hù)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(fù)壓。一旦管道中壓力降低，調(diào)壓塔迅速向管道補(bǔ)水，以防產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)管路中水錘壓力升高時(shí)，它允許高壓水流進(jìn)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(jiǎn)單，工作安全，防護(hù)效果好。但是高度大、造價(jià)高、水質(zhì)易受污染等缺點(diǎn)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(hù)設(shè)備。它完全具有普通雙向調(diào)壓塔的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)作和滯動(dòng)作等問(wèn)題，使管道泄壓迅速及時(shí)，安全程度大幅度提高。在水錘防護(hù)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(jià)，從而使其廣泛應(yīng)用于管道水錘防護(hù)，是一種安全可靠的防護(hù)措施［3］。

2 工程實(shí)例

我國(guó)西北地區(qū)某縣的長(zhǎng)距離壓力流輸水管道系統(tǒng)，全長(zhǎng)約14．71 km，設(shè)計(jì)流量 0．366 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程91 m，總揚(yáng)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(tái)臥式雙吸離心泵，單機(jī)功率450 kW，總裝機(jī)1 800 kW。4臺(tái)水泵并聯(lián)至1根出水母管，采用DN600的球墨鑄鐵管，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量15．6 kg·m2，在線路各樁號(hào)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(gè)排氣閥。其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力如圖1所示。

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

在樁號(hào)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(shí)的水錘升壓模擬如圖2、圖3所示。

不安裝調(diào)壓塔時(shí)管道升壓很高，大大超出承壓值的范圍，最大壓力超出此點(diǎn)承壓值約500 m(H2O)，并伴有全線斷流，對(duì)管道安全運(yùn)行存在隱患，爆管危險(xiǎn)很大。改變水泵出口閥門(mén)總關(guān)時(shí)間和快關(guān)時(shí)間對(duì)管段水錘升壓影響較小。需要進(jìn)一步采取水錘防護(hù)措施來(lái)降低管道中的水錘升壓。

圖2 不安裝調(diào)壓塔時(shí)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(shí)的水錘壓力線Fig．3 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

在樁號(hào)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(shí)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(shí)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(yùn)行安全。不同水泵出口閥門(mén)快關(guān)時(shí)間、快關(guān)角度及總關(guān)時(shí)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(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(wú)斷流。管道系統(tǒng)運(yùn)行安全。

根據(jù)以上計(jì)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(shí)，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(méi)有斷流現(xiàn)象。通過(guò)前面對(duì)普通雙向調(diào)壓塔和箱式雙向調(diào)壓塔的各自優(yōu)缺點(diǎn)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(hù)方案。

3 結(jié)論

在長(zhǎng)距離壓力流輸配水系統(tǒng)中，水錘防護(hù)最主要的是斷流彌合水錘的防護(hù)問(wèn)題。排氣閥是長(zhǎng)距離輸配水系統(tǒng)中最基本的斷流彌合水錘防護(hù)措施。采用箱式雙向調(diào)壓塔往往能達(dá)到最佳的水錘防護(hù)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(shí)昂貴的工程設(shè)施費(fèi)用，建造及維護(hù)難度也大幅度降低。所以箱式雙向調(diào)壓塔作為水錘防護(hù)措施在長(zhǎng)距離輸水工程中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

［1］金錐，姜乃昌，王興華，等．停泵水錘及其防護(hù)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

［2］趙莉，馮繼科．設(shè)置高位水池的長(zhǎng)距離輸水管路的水錘防護(hù)研究［J］．西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，13(1):65-67．

［3］楊玉思，徐艷艷，羨巨智．長(zhǎng)距離高揚(yáng)程多起伏輸水管道水錘防護(hù)的研究［J］．給水排水，2009，35(4):108-111．