长距离多级加压输水水锤防护方案分析

姜 越，高 凤

(长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054)

1 长距离多级加压输水工程管道压力特点

目前对于长距离、高落差的输水工程，当无法直接应用地形条件进行供水时，采用多级加压供水方式，可缓解用单级加压供水时泵站的过大压力，使输水系统更趋于安全。多级加压输水系统的各级泵站之间相互独立，将长距离输水系统划分成若干段短距离输水管道，因而水锤防护措施设置会相应变得简单，更有利于水锤防护。

2 工程实例介绍

陕西北部某经济工业园区供水工程，设计供水水量Q=1 000 m3/h，供水总高差约为420．00 m，采用三级加压供水方式。输水管道工程采用平行敷设2根DN400的螺旋焊缝钢管(材质:Q235-A)，供水距离长约18．90 km，沿线设有排气阀、泄水阀、排泥阀、检修阀等及其井室。

一级加压站，采用深井潜水泵，1用1备。Q=1 000 m3/h，H=90 m;管道流速v=1．50 m/s;管线长度约2 900 m;供水高差:66．20 m;管道承压值为2．2 MPa。

二级加压站，采用卧式多级离心泵，4用2备。Q=280 m3/h，H=301 m，管道流速:v=1．50 m/s。2台水泵运行对应1根管道。管线长度约7 500 m;供水高差:245．20 m;管道承压值为3．2 MPa。

三级加压站，采用卧式多级离心泵，4用2备。Q=280 m3/h，H=215 m，管道流速:v=1．50 m/s。2台水泵运行对应1根管道。管线长度约8 500 m。供水高差:131 m;管道承压值为2．6 MPa。

3 水锤防护方案对比

针对长距离、多级加压输水管道特点，其水锤防护的主要措施有:(1)在水泵出口处安装缓闭止回阀，以防止突然停泵事故水锤［1］;(2)在水泵出口安装缓闭止回阀，结合正常排气要求在管道上安装复合式排气阀或者恒速缓冲排气阀，预防含气型断流弥合水锤;(3)在水泵出口安装缓闭止回阀，在汇水总管处及管道重要部位安装超压泄压阀或双向调压塔等，以防止缓闭止回阀不能完全消除的管道水锤升压。

经过计算机模拟计算，为便于对比研究，下面就水泵出口缓闭止回阀两阶段关闭:快关10 s，60°;慢关110 s，30°这种工况进行方案对比。

3．1 水泵出口安装缓闭止回阀

在水泵出口安装缓闭止回阀，经过计算机模拟计算，得出在此种工况下管道运行时的水锤升压情况如图1所示。

图1 仅在水泵出口安装缓闭止回阀时的水锤压力线Fig．1 Pressure Envelope Curve after Installation Slow Closing Check Valve in the Pump Outlet

由图1可知仅在水泵出口安装缓闭止回阀，水锤升压大，最大水锤升压超出管道承压值约450 m(H2O)，且沿线断流严重，对于停泵后管道中的断流空腔再弥合水锤［2］的防护效果不理想。

3．2 指定桩号处安装复合式排气阀

根据规范规定并结合管路地形条件，在管道中每隔800～1 000 m安装一个复合式排气阀，在管道地形起伏较大处的高点增设排气阀数量。经过计算机模拟计算，得出在此种工况下管道运行时的水锤升压情况如图2所示。

由图2可知水泵出口安装缓闭止回阀，指定桩号处安装复合式排气阀，部分管道水锤升压反而增大。不利于管道安全稳定运行，可以考虑将管道复合式排气阀的位置更换为恒速缓冲排气阀。

图2 安装复合式排气阀时的水锤压力线Fig．2 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve

3．3 指定桩号处安装恒速缓冲排气阀

为便于比较复合式排气阀与恒速缓冲排气阀的作用效果，本方案中缓冲排气阀安装位置同3．2中复合式排气阀安装位置。经过计算机模拟计算，得出在此种工况下管道运行时的水锤升压情况如图3所示。

图3 安装恒速缓冲排气阀时的水锤压力线Fig．3 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve

由图3可知水泵出口安装缓闭止回阀，指定桩号处安装恒速缓冲排气阀，较安装复合式排气阀效果好一些，但地形起伏较大处水锤升压仍然很大，对管道安全稳定运行不利。故应考虑在管道特殊部位安装箱式双向调压塔。

3．4 指定桩号处安装复合式排气阀及箱式双向调压塔

由于3．2中单纯安装复合式排气阀不能保证管道安全运行，考虑在管道汇水总管处及管道重要部位安装箱式双向调压塔。经过计算机模拟计算，得出在此种工况下管道运行时的水锤升压情况如图4所示。

图4 安装复合式排气阀及箱式双向调压塔时的水锤压力线Fig．4 Pressure Envelope Curve after Installation of Composite Exhaust Valve and Box-Type Two-Way Surge Tank

由图4可知水泵出口安装缓闭止回阀，指定桩号处安装复合式排气阀及箱式双向调压塔，较仅安装复合式排气阀降压效果明显提高，几乎所有管道最大压力均降至承压线以下，但部分管道最大压力过于接近承压值。不利于管道安全稳定运行。

3．5 指定桩号处安装恒速缓冲排气阀及箱式双向调压塔

为便于对比说明，本方案中箱式双向调压塔位置同3．4中调压塔安装位置。经过计算机模拟计算，得出在此种工况下管道运行时的水锤升压情况如图5所示。

图5 安装恒速缓冲排气阀及箱式双向调压塔时的水锤压力线 Pressure Envelope Curve after Installation of Constant Speed Buffering Exhaust Valve and Box-type Two-Way Surge Tank

由图5可知水泵出口安装缓闭止回阀，指定桩号处安装恒速缓冲排气阀及箱式双向调压塔，较仅安装恒速缓冲排气阀降压效果好，所有管道最大压力均降至承压线以下，管道可以安全稳定运行。

4 方案对比思考

在长距离输水系统中，有压管道内气囊运动产生的压力升高往往类似于断流弥合水锤，其升压值与气囊所占管道过水断面的大小及气囊运动与水流的速差有关。理论计算表明，气囊运动引起的升压大小不同，可能小到仅几m水柱，大到数百m水柱，国内外实测到较大的断流水锤升压为200～400 m水柱。特别的是，气囊引起的断流弥合水锤升压极快，往往在不到1 s(停泵水锤升压过程一般为十几秒～几分钟)就迅速升压到最大值，因而较一般停泵水锤更难防护。

从理论上讲，预防这种水锤升压有三种途径:(1)管道排净气体，保证任何状态下都不产生气囊运动型断流弥合水锤。(2)用气压罐及同样类型的稳压吸压装置直接吸纳或消灭水锤升压波。(3)用双向调压塔吸收升压波。方式(1)可通过采用性能良好的排气阀实现正常排气，由对工程实例的计算，可以看出恒速缓冲排气阀的排气效果优于复合式排气阀，因此具有恒速缓冲功能的排气阀具有消减断流弥合水锤的作用，应将其作为最基本的断流水锤防护措施。同时采用箱式双向调压塔和缓闭止回阀等对多处断流弥合水锤进行防护，可使此类长距离多级加压输水管道的水锤防护取得良好效果。

［1］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．

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