箱式双向调压塔在长距离压力流输水系统中的水锤防护研究

高 凤，王 鹤，张 博

(1．长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054;2．西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068)

压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。水锤也称水击，或称流体水力瞬变暂态过程［1］。

国内外普遍将泵站管路系统中所发生的各种水锤现象统称为“泵站管路系统水力过渡过程”。泵站管路系统水力过渡过程中的水柱分离及随后产生的断流再弥合水锤(即空腔溃灭水锤)，对远距离输水管线工程的危害是巨大的。据原武汉水利电力学院的水锤专家提供:生产实践中的长距离输水管路中所出现的管路破裂，70% ～80%与水柱分离有关［2］。由此可见，断流弥合水锤的危害比常见的传统的水锤要严重得多，所以长距离输水管线的防护应优先考虑的是断流水锤防护。

我国的水资源特征主要表现为时空变化极大、时间和空间分布不均，在水资源供求上存在矛盾。近年来由于人口持续增长和经济高速发展，我国长距离输水工程越来越多，距离越来越长，像山东的引黄济青、陕西引黄入晋等。在长距离输水中如何进行有效的水锤防护是科研、设计人员亟待解决的问题。

常用的水锤防护措施主要有:根据管段纵断面图在管道凸点安装排气阀，也可根据水锤防护计算调整排气阀的位置;在管道重要部位安装超压泄压阀或调压塔(单/双);在水泵出口处安装缓闭止回阀(液控蝶阀、水泵控制阀等)。

1 箱式双向调压塔简介

1．1 双向调压塔

对输水干管而言，双向调压塔是一种兼具注水与泄(排)水缓冲式的水锤防护设备，其设置的主要作用是防止压力输水干管中产生负压。一旦管道中压力降低，调压塔迅速向管道补水，以防产生负压。当管路中水锤压力升高时，它允许高压水流进入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。双向调压塔构造简单，工作安全，防护效果好。但是高度大、造价高、水质易受污染等缺点阻碍了双向调压塔的使用［3］。

1．2 箱式双向调压塔

箱式双向调压塔是目前应用最广泛的调压塔，是一种新型的水锤防护设备。它完全具有普通双向调压塔的优点。但其高度可大幅度降低，一般仅2～5 m。防水锤泄压溢流性能高度安全可靠，且克服了超压泄压阀存在的拒动作和滞动作等问题，使管道泄压迅速及时，安全程度大幅度提高。在水锤防护性能上几乎完全等同于普通双向调压塔，大大降低了工程造价，从而使其广泛应用于管道水锤防护，是一种安全可靠的防护措施［3］。

2 工程实例

我国西北地区某县的长距离压力流输水管道系统，全长约14．71 km，设计流量 0．366 m3/s，设计净扬程91 m，总扬程137．3 m。分析考虑管线水力条件最不利情况，在管道首段安装4(3用1备)台卧式双吸离心泵，单机功率450 kW，总装机1 800 kW。4台水泵并联至1根出水母管，采用DN600的球墨铸铁管，机组转动惯量15．6 kg·m2，在线路各桩号之间管压1．0～2．5 MPa。根据管段纵断面情况和有关规范的要求设置排气阀的位置。共有13个排气阀。其稳态运行压力如图1所示。

图1 管道纵断面简图及稳态运行压力线Fig．1 Profile Diagram of Pipeline and Steady-State Pressure Envelope Curve

在桩号处安装复合式排气阀，水泵出口处安装缓闭止回阀，不安装调压塔时的水锤升压模拟如图2、图3所示。

不安装调压塔时管道升压很高，大大超出承压值的范围，最大压力超出此点承压值约500 m(H2O)，并伴有全线断流，对管道安全运行存在隐患，爆管危险很大。改变水泵出口阀门总关时间和快关时间对管段水锤升压影响较小。需要进一步采取水锤防护措施来降低管道中的水锤升压。

图2 不安装调压塔时的水锤压力线Fig．2 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

图3 不安装调压塔时的水锤压力线Fig．3 Pressure Envelope Curve with No Surge Tank

在桩号处安装复合式排气阀，在水泵出口处安装缓闭止回阀，安装普通双向调压塔时的水锤升压模拟如图4、图5所示。

图4 安装双向调压塔时的水锤压力线Fig．4 Pressure Envelope Curve after Installation Two-Way Surge Tank

采用普通双向调压塔后，管线升压有了很明显的下降，均在承压值以内。管道系统运行安全。不同水泵出口阀门快关时间、快关角度及总关时间内其管段压力均在承压值以内，降压效果良好。

在桩号处安装复合式排气阀，在水泵出口处安装缓闭止回阀，安装箱式双向调压塔时的水锤升压模拟如图6、图7所示。

图5 安装双向调压塔时的水锤压力线Fig．5 Pressure Envelope Curve after Installation Two-Way Surge Tank

图6 安装箱式双向调压塔时的水锤压力线Fig．6 Pressure Envelope Curve after Installation Box-Type Two-Way Surge Tank

图7 安装箱式双向调压塔时的水锤压力线Fig．7 Pressure Envelope Curve after Install ation of Box-Type Two-Way Surge Tank

采用箱式双向调压塔后，管线升压均在承压值以内，且基本无断流。管道系统运行安全。

根据以上计算分析可知，安装普通双向调压塔和箱式双向调压塔时，管道升压均能够保证在承压线以下，降压效果均良好，且基本没有断流现象。通过前面对普通双向调压塔和箱式双向调压塔的各自优缺点的分析比较，可以得出应选择箱式双向调压塔作为最优防护方案。

3 结论

在长距离压力流输配水系统中，水锤防护最主要的是断流弥合水锤的防护问题。排气阀是长距离输配水系统中最基本的断流弥合水锤防护措施。采用箱式双向调压塔往往能达到最佳的水锤防护效果。并且，采用箱式双向调压塔还可以节省安装普通双向调压塔时昂贵的工程设施费用，建造及维护难度也大幅度降低。所以箱式双向调压塔作为水锤防护措施在长距离输水工程中的应用将越来越广泛。

［1］金锥，姜乃昌，王兴华，等．停泵水锤及其防护［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004．

［2］赵莉，冯继科．设置高位水池的长距离输水管路的水锤防护研究［J］．西安文理学院学报(自然科学版)，2010，13(1):65-67．

［3］杨玉思，徐艳艳，羡巨智．长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究［J］．给水排水，2009，35(4):108-111．