为了解决我国水资源分布不均的问题,很多城市采用长距离输水的方式来满足城市建设的需要。在长距离加压输水管线的运行中,停泵水锤对管道的危害极大,尤其是断流弥合水锤。断流弥合水锤升压很大,根据有关理论计算,排气不畅引起气爆压力最高可达20~40bar(1bar=10⁵Pa),足以破坏任何供水管道^[1]。

　　 本文选用的工程实例比较特殊,管线全长为8.3km,为长距离,总落差为72.12m且沿线起伏较多,管径为1.2m属大管径,泵站总扬程为79m,管道首末端高程高,而中间高程低。停泵水锤这一水力过渡过程是由降压波开始的,并从首端开始传至末端,在降压过程中极易出现首末端多处水柱中断现象,由于管线中间起伏大且多,进而可能引发全管线断流再弥合水锤,这类水锤的防护难度较大^[2]。

　　 随着我国及国外水锤防护技术的发展,解决水柱分离升压问题,目前所用的防护措施有多种,通常使用的水锤防护措施大致可分为以下3种类型^[3]:

　　 (1)在水泵出口安装具有缓闭功能的止回阀;

　　 (2)按规范规定的排气要求,安装排气阀,防断流弥合水锤;

　　 (3)在水泵出口的汇水总管处及管线重要部位如易断流的高点安装具有超压泄压或防断流功能的设备如超压泄压阀,单、双向调压塔,箱式双向调压塔,气压罐等。通常单、双向调压塔受地形限制且造价高、空气罐维护成本高。

　　 各类阀门的构造形式很多,如缓闭止回阀类型有十多种,是否都可用,各类阀门的优缺点,水锤防护效果如何,性能参数是否真实合理,都应加以分析研究,才更有利于压力管道安全运行和水锤防护。

　　 本文针对特殊的长距离、高扬程、多起伏、大管径且管道首末端高中间低的输水工程,采用水泵出口处安装缓闭止回阀,管线每隔0.8~1km设置1个缓冲排气阀的情况下,在管线特殊部位安装箱式双向调压塔或者超压泄压阀的措施进行防护。下面着重介绍超压泄压阀和箱式双向调压塔这两种防护设备的特点。

　　 超压泄压阀是一类新型的水力自动控制阀门,其原理是管道运行时,管道瞬时压力超过泄压值时,阀门打开泄水;管道瞬时压力低于泄压值时,阀门自动关闭。超压泄压阀释放压力应大于或等于最大正常使用压力叠加0.15~0.2 MPa。

　　 此阀一般安装在泵站出口汇总管起端,在输水管道中间设置超压泄压阀时,应经水锤分析计算后确定其位置,其直径一般为所安装主管道直径的1/5~1/4。目前实际工程中使用先导式超压泄压阀较多,此种阀容易产生泄压动作滞后,当水锤升压过快时,通常失去快速泄压的作用,因此,在选用时要判断水锤类型为快速型,如需使用,应对先导式超压泄压阀进行分析和测试,以确保消除滞动作或拒动作的可能。超压泄压阀只能泄压,在管道断流时不能补水从而发生防断流弥合水锤。管道运行安全得不到很好的保障。

　　 箱式双向调压塔采用上下不等面积活塞增压原理,形成压差,使管道发生意外水锤高压时,释放超高压力;当管道出现负压时,可向管道注水,对系统起稳压作用或消减断流弥合水锤。由于箱式双向调压塔为活塞直接动作,无外导管、先导阀等辅助动作装置,动作灵敏,反应迅速,结构简单,故障率低,防水锤效果较好。

　　 箱式双向调压塔一般装设于泵站汇水总管,或输水管道易发生水柱中断的高点或折点处,调压塔的高度一般为2~5m,其泄压值一般为“最大使用压力+0.1~0.15 MPa”。

　　 该产品解决了普通双向调压塔塔体较高、易受地质条件限制且成本高等问题,同时又能够快速反应,消除断流弥合水锤带来的压力不稳问题,从而保护管道安全稳定运行。

　　 鲁家瑶长距离加压输水工程管线全长为8.3km,总落差为72.12m,管径为1.2m,泵站进水水位1 339.88m,出水水位1 412m,设计流量为1.86m³/s,安装3 台SLOW500-1050 泵,设计工况为3台水泵并联成一排出水管,无备用。出水管为DN1 200的石英夹砂玻璃钢管(FRP管)。

　　 水泵参数:单机流量q=0.724m³/s,转速n=1 450r/min,扬程H=85.24m,效率η=82.5%,飞轮力矩GD²=517.81N/m²,比转速取Ns=90,额定转矩Mn=9 310.4。水锤波速近似取1 000m/s。水泵特性曲线和管路特性曲线如图1所示,两条特性曲线相交点为3 台SLOW500-1050泵在管线运行中的实际工况。管段的纵断面和稳态运行压力如图2所示。

　　 下面将采用特征线法^[4],依据鲁家瑶长距离加压输水工程实例确定边界条件编制水锤计算程序,对比研究超压泄压阀和箱式双向调压塔在管道停泵水锤防护中的效果。

　　 对比研究时采用的防护措施为:都在水泵出口安装缓闭止回阀,按照要求都在相同桩号处安装缓冲排气阀,并在相同桩号处分别安装超压泄压阀和箱式双向调压塔。

　　 此防护措施是在水泵出口安装缓闭止回阀,在桩号(+前距离单位为km,+后为m,下同)6+750处安装超压泄压阀,分别在桩号0+034,0+594,0+964,2+235,3+155,3+701,3+979,4+900,5+904,7+118,7+500,7+850 处安装缓冲排气阀。水锤压力线见图3,在指定桩号处加装超压泄压阀,指定桩号处安装缓冲排气阀,缓冲闭合流速0.8m/s,末端阀门,快关20s,快关60°,总关240s。

　　 根据图3所示水锤计算结果,当排气阀缓冲闭合流速为0.3~0.8 m/s,缓闭止回阀快关时间为5~20s,总关时间为240~360s时,管道中出现水柱中断处较多,管道升压较大,管道最大升压约为235mH₂O(管道内压),超出管线承压值大约为95mH₂O(管道内压),大部分管道压力值超过管道承压范围,管道安全运行存在隐患,而且调节缓闭止回阀的关阀程序和排气阀闭合流速对管道压力变化影响较小。由于该管线较长,首末端高,中间低且起伏较多,发生多处断流空腔再弥合水锤升压,超压泄压阀不能解决管道出现断流问题,虽然安装了超压泄压阀,但对于解决断流弥合水锤升压问题效果并不明显,所以还需进一步采取其他安全有效的水锤防护措施。

　　 在水泵出口安装缓闭止回阀,在桩号6+750处安装箱式双向调压塔,分别在桩号0+034,0+594,0+964,2+235,3+155,3+701,3+979,4+900,5+904,7+118,7+500,7+850 处安装缓冲排气阀,水锤压力线见图4,在指定桩号处加装箱式调压塔,指定桩号处安装缓冲排气阀,缓冲闭合流速0.8m/s,末端阀门,快关20s,快关60°,总关240s。

　　 根据图4所示水锤计算结果,当缓冲闭合流速为0.3~0.8m/s,快关时间为5~20s,总关时间为300~420s时,管道运行过程中,虽然少部分管段出现负压,但并未达到-10mH₂O,因此未出现水柱中断情况,管道最大升压约为130mH₂O,所有管道压力值均在管道承压范围之内,可见管道中的最大水锤压力和最低水锤压力均满足管道安全运行的要求。

　　 箱式双向调压塔具有高压泄水与低压注水的特点,能够瞬时反应,无动作滞后,能有效预防水柱分离,从而能对管线的整体运行起到较好的水锤防护作用。

　　 超压泄压阀不适用于管线起伏较多、可能产生断流弥合水锤的压力输水管道的水锤防护,不能较好地解决断流弥合水锤带来的升压问题;双向调压塔则弥补了超压泄压阀的缺点,能够较好地消除这种特殊的长距离、高扬程、大管径、多起伏且两端高中间低的管道中产生的断流弥合水锤危害,通过高压泄水与低压注水,能够很好地消除断流再弥合水锤。

　　 根据实际情况进行停泵水锤分析并判断其危害程度以及采取何种停泵水锤防护措施并预测其技术经济效果,都要以相应的停泵水锤计算为基础,才能更好地解决长距离加压输水工程中的水锤防护问题。