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（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710018）

長(zhǎng)距離有壓輸水管道系統(tǒng)中水錘的主動(dòng)防御

楊勇智雷蕾?gòu)堁?/p>

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710018）

傳統(tǒng)長(zhǎng)距離有壓輸水系統(tǒng)中的水錘防御設(shè)備依靠水力與壓力觸發(fā)的機(jī)械或液壓執(zhí)行方式，只能依照水錘形成－壓力傳導(dǎo)－機(jī)構(gòu)觸發(fā)執(zhí)行的被動(dòng)式防護(hù)模式運(yùn)行，本文論述一類具有新型的具有主動(dòng)檢測(cè)、提前判斷、前導(dǎo)執(zhí)行的主動(dòng)式水錘防御及防護(hù)設(shè)備的原理及運(yùn)行模式，及其對(duì)有壓輸水系統(tǒng)安全性及經(jīng)濟(jì)性的影響；并簡(jiǎn)述了此類主動(dòng)式防御設(shè)備與自控系統(tǒng)綜合應(yīng)用的發(fā)展方向。

壓力管道；水錘；主動(dòng)式防御

前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采用管道輸水的范圍及領(lǐng)域越來(lái)越廣，傳統(tǒng)的被動(dòng)式水錘防護(hù)方法與設(shè)備也被廣泛的應(yīng)用在管道輸水的安全防護(hù)中，但隨著輸送距離、設(shè)計(jì)壓力、輸水規(guī)模的增大，水錘對(duì)輸水管道的危險(xiǎn)性也越來(lái)越高，被動(dòng)式水錘防護(hù)設(shè)備體積隨之增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也越來(lái)越高，水錘防護(hù)設(shè)備成本在輸水工程中所占比重也不停增大，制約了部分長(zhǎng)距離輸水工程的新建與擴(kuò)建。本文簡(jiǎn)單論述一類基于主動(dòng)檢測(cè)、提前判斷的主動(dòng)式水錘防御及防護(hù)設(shè)備的原理及其在有壓輸水管道中的應(yīng)用，以期減小水錘防護(hù)設(shè)備的體積及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，降低輸水管道系統(tǒng)，特別是長(zhǎng)距離高水頭輸水管道工程中水錘防護(hù)成本，并促使輸水管道系統(tǒng)更加主動(dòng)的管理自身安全。

1 水錘基本概念

壓力管路中，由于流速劇烈變化引起動(dòng)量轉(zhuǎn)化，從而在管路中產(chǎn)生一系列急劇的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。

水錘的約克夫斯基公式：

ΔH=ΔV*C/g式(1)

其中：

ΔH——表示壓力升高；

ΔV——表示水流速度的變化率；

C——表示水錘波的波速；

g——表示重力加速度。

上述公式基本上解釋了水錘，即壓力波，產(chǎn)生的原因和影響其大小的因素。

在壓力輸水工程中，能夠引起流速壓力變化而導(dǎo)致水錘的因素很多，常見(jiàn)的因素有：（1）水泵的正?；蚴鹿蕟?dòng)或停止；（2）閥門的正常開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)，閥門故障；（3）管道的事故堵塞或泄露；（4）容器壓力的變化及波動(dòng)；（5）負(fù)壓波時(shí)產(chǎn)生的空泡潰滅。

圖1 水錘壓力波傳導(dǎo)模型

2 水錘防御原理

根據(jù)約克夫斯基的理論公式，我們可以得到如下的結(jié)論：減緩水在系統(tǒng)中的流速變化，降低機(jī)械波的傳遞速度。系統(tǒng)中因事故工況而產(chǎn)生的壓力變化就會(huì)減弱，水錘就可以得到控制，基于這一理論便產(chǎn)生了一系列的水錘防御工程方案及設(shè)備。

3 傳統(tǒng)被動(dòng)式水錘防御

早期的水錘防御思路認(rèn)為，當(dāng)水錘發(fā)生后，管路中的流速、壓力等水力學(xué)指標(biāo)隨之發(fā)生強(qiáng)烈變化，當(dāng)檢測(cè)到或依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)到水力要素的發(fā)展趨勢(shì)，采用設(shè)施或設(shè)備防止這種變化趨勢(shì)的擴(kuò)大，以便減小對(duì)管路系統(tǒng)的危害，即后知后覺(jué)式的防御，非真正意義上的防御。其防御過(guò)程如下：

水錘發(fā)生→壓力超標(biāo)→水力(機(jī)械)推動(dòng)→啟動(dòng)設(shè)施(設(shè)備)→釋放(緩沖)壓力→壓力達(dá)標(biāo)→水力(機(jī)械)推動(dòng)→關(guān)閉設(shè)施(設(shè)備)

基于防御式思維的水錘防御方案即為被動(dòng)式水錘防御方案。

傳統(tǒng)的被動(dòng)式水錘防護(hù)設(shè)施主要有：?jiǎn)蜗蛩?，調(diào)壓塔等；防護(hù)設(shè)備多采用機(jī)械式的排氣吸氣閥、緩閉閥、調(diào)壓閥、超壓泄壓閥等機(jī)械式或是水力控制式閥門或設(shè)備組成。

4 主動(dòng)式水錘防御

4.1 主動(dòng)式水錘防御原理

主動(dòng)式水錘防御設(shè)備通過(guò)感應(yīng)水錘發(fā)生的前兆或引起水錘的起因條件，提前開(kāi)啟泄壓設(shè)施設(shè)備并維持開(kāi)啟以消除水錘產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。

主動(dòng)式水錘防御設(shè)備是由以前純水力式水錘防御設(shè)備發(fā)展而來(lái)，多為將智能控制系統(tǒng)與水力控制閥（或設(shè)備）結(jié)合，用于有壓輸水系統(tǒng)。

4.2 主動(dòng)式水錘防御設(shè)備

（1）壓力波動(dòng)預(yù)止閥

壓力波動(dòng)預(yù)止閥是一種在正常工況下保持常閉，而在事故工況時(shí)打開(kāi)的事故型閥門。壓力波動(dòng)預(yù)止閥在管道內(nèi)首次出現(xiàn)壓力下降時(shí)便打開(kāi)，其工作原理是，讓返回的水錘波無(wú)阻礙排放，以消除高壓水錘。

壓力波動(dòng)預(yù)止閥的數(shù)學(xué)模型如圖2所示，圖中③和④為閥門前后管號(hào)。動(dòng)預(yù)止閥開(kāi)始啟動(dòng)工作。

圖2 壓力波動(dòng)頂止閥數(shù)學(xué)模型

式中：HP3,NS和(HP3,NS)0分別為閥門上游節(jié)點(diǎn)NS任意時(shí)刻的測(cè)管水頭；

χ為開(kāi)啟設(shè)定壓力系數(shù)，取值0＜χ＜1。

壓力波動(dòng)預(yù)止閥在水錘壓力波未開(kāi)始傳播前基于設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)提前打開(kāi)閥門泄壓，使得水流速變化率極小，壓力波動(dòng)因此不會(huì)很大。這與在高壓出現(xiàn)時(shí)打開(kāi)的安全閥不同，能夠保證及時(shí)泄壓。而安全閥則是當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)打開(kāi)，但是往往因?yàn)樵谒N高峰值到來(lái)時(shí)的速度太快，時(shí)間太短，安全閥沒(méi)有足夠的時(shí)間打開(kāi)，因此安全閥的效果難以保證。

壓力波動(dòng)預(yù)止閥的主動(dòng)式防御原理不僅降低了管路系統(tǒng)最高水錘壓力的峰值，同時(shí)有效率和安全性高于被動(dòng)式水錘安全閥門設(shè)備。

（2）水錘預(yù)防閥

水錘預(yù)防閥是主動(dòng)防御型水錘防護(hù)設(shè)備，它是將智能控制系統(tǒng)和一個(gè)水力控制主閥結(jié)合在一起，用于輸水系統(tǒng)，通過(guò)感應(yīng)水錘前兆或引起水錘的起因條件（突然降壓或者空然斷電或二者相伴）提前開(kāi)啟消除水錘并維持開(kāi)啟，最大限度地保護(hù)系統(tǒng)免受水錘的危害。水錘預(yù)防閥是由以前純水力式水錘預(yù)防閥發(fā)展而來(lái)，改進(jìn)了純水力的不能維持可靠延時(shí)、誤開(kāi)啟、開(kāi)啟后難以關(guān)閉等等缺點(diǎn)。

它是由水力控制主閥、導(dǎo)閥和水力控制系統(tǒng)等組成。其工作原理如圖3。

圖3 水錘防御閥工作原理

圖4 壓力波動(dòng)預(yù)止閥在泵站的應(yīng)用

表1 壓力波動(dòng)預(yù)止閥特性表

作為主動(dòng)防御型水錘防護(hù)設(shè)備，水錘預(yù)防閥的壓力開(kāi)關(guān)感應(yīng)管道壓力突降，電磁導(dǎo)閥感應(yīng)水錘前兆或事故斷電等前導(dǎo)因素后，PLC控制單元通過(guò)控制電磁導(dǎo)閥打開(kāi)主閥泄水。消除水錘沖擊波。

（3）水泵控制閥

水泵控制閥也屬于主動(dòng)式水錘防護(hù)設(shè)備的一種，在某些工況下，由于一臺(tái)水泵開(kāi)停，或者因水泵站水泵常開(kāi)停、頻繁切換等工況而產(chǎn)生壓力波動(dòng)時(shí)，或水泵站運(yùn)行自動(dòng)化程度較高時(shí)，在水泵之后建議選擇水泵控制閥。該種閥門一般與水泵進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程控制，由PLC或?qū)Ｓ盟每刂崎y專供的控制盒完成。

在水泵開(kāi)啟時(shí)，閥門緩開(kāi)起到背壓?jiǎn)?dòng)的目的，使得水泵啟動(dòng)安全。甚至可以調(diào)節(jié)閥門開(kāi)啟的設(shè)定壓力，如規(guī)定閥門在3bar時(shí)打開(kāi)等。在水泵關(guān)閉時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)關(guān)閉”，即閥門先行關(guān)閉，至完全關(guān)閉或者關(guān)閉至97%等設(shè)定點(diǎn)時(shí)，水泵開(kāi)始關(guān)閉，減小流速的變化率，阻止水錘的發(fā)生。

水泵控制閥亦可以解決由于關(guān)泵不當(dāng)而產(chǎn)生的水錘。一旦檢測(cè)到事故斷電等風(fēng)險(xiǎn)因素后，水泵控制閥為速閉型止回閥，不等水錘波返回而快速主動(dòng)關(guān)閉，達(dá)到保護(hù)水泵的目的，做到真正的主動(dòng)式水錘預(yù)防。

4.3 主動(dòng)式水錘防御設(shè)備的應(yīng)用

壓力波動(dòng)預(yù)止閥主要應(yīng)用于水泵機(jī)組出水干管起端旁通支管（圖4）以及壓力輸水管路V型管段最低點(diǎn)的旁通管路上，通過(guò)提前檢測(cè)到的壓力波動(dòng)達(dá)到提前開(kāi)閥，泄放水錘壓力，主動(dòng)防御水錘破壞的作用?？商娲{(diào)壓塔，空氣壓力罐等傳統(tǒng)大體積被動(dòng)水錘泄放設(shè)備，其相對(duì)的主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

水錘預(yù)防閥與水泵控制閥都是由機(jī)械或液壓機(jī)構(gòu)加PLC電控單元組成的主動(dòng)式水錘防御安全閥，但兩者由于應(yīng)用特性的不同其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元及PLC控制單元又有所區(qū)別，水錘預(yù)防閥主動(dòng)應(yīng)用于輸水壓力管道水錘危害薄弱節(jié)點(diǎn)，具有迅速開(kāi)啟及時(shí)關(guān)閉的工作特性；而水泵控制閥主要應(yīng)用于泵站機(jī)組出水管路，防止水錘對(duì)機(jī)組的危害，由于泵站水錘的成因及種類相對(duì)壓力管道更為復(fù)雜多變，需實(shí)現(xiàn)諸如緩慢開(kāi)啟、延時(shí)關(guān)閉等特性，所以水泵控制閥的結(jié)構(gòu)單元及PLC控制更為復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)機(jī)械及液壓式水安全閥由于及結(jié)構(gòu)特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多主動(dòng)操作，或是實(shí)現(xiàn)后由于水質(zhì)、水壓、含沙量等問(wèn)題導(dǎo)致的執(zhí)行效率及保證率不高的問(wèn)題，大部分都可由加入PLC電控單元的方式解決，其在主動(dòng)監(jiān)測(cè)、提前執(zhí)行、平抑水錘峰值、降低配套安全設(shè)備成本及安全執(zhí)行保證率方面都具有傳統(tǒng)設(shè)備不能比擬的優(yōu)勢(shì)。且隨著工程供電水平的提升及太陽(yáng)能供電設(shè)備及無(wú)線通信設(shè)備的發(fā)展，原來(lái)由于供電條件及遠(yuǎn)程控制通信能力限制的此類主動(dòng)式水錘防御設(shè)備將更多的應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸水管路的站點(diǎn)及沿途管段。且隨著建設(shè)水平的上升，此類閥門的控制單元可與輸水工程自控系統(tǒng)聯(lián)接，可預(yù)防的風(fēng)險(xiǎn)因素將進(jìn)了步增加，并實(shí)現(xiàn)多閥聯(lián)合調(diào)度執(zhí)行，進(jìn)一步提高壓力輸水工程的系統(tǒng)性安全。陜西水利

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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