真空吸气阀与单向调压塔在长距离多起伏管线中的水锤防护研究

张旭峰 陈立志 刘先念

(大连市供水有限公司 116021)

我国长距离输水管线距离长、起伏大，使得设备的优化选择存在难度。本文结合工程实例，建立水锤防护设备模型，对比真空吸气阀和调压塔水锤防护方案事故停泵时水锤防护效果，经技术、经济比较后确定一个较佳的水锤防护方案［1］。

1 水锤防护设备模型建立

针对长距离、起伏大的输水管线，水锤防护设备有单向调压塔、真空吸气阀、空气阀等［2～5］。

1.1 单向调压塔

单向调压塔在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。单向调压塔的注水管上装设有逆止阀，当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱分离，避免弥合水锤。单向调压塔的几何高度及容积较双向调压塔可大大降低，其几何高度及容积相对较小，经济合理，但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限［8］。由于单向调压塔是靠塔内水位与管道内压力差，在重力作用下进行补水防止水柱分离的，因此其保护范围仅为塔内最高水位以下的管道部分［9］。此外，单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。

计算公式为

当Hp3≤Hp，Qp3=0 时

以上式中 Qp1——流经调压塔前管内流量，m3/s;

Qp2——流经调压塔后管内流量，m3/s;

Qp3——流出调压塔流量，m3/s;

Ca——调压塔出口流量系数;

AP——补水短管的过流面积，m2;

HP3——调压塔水位，m;

HP——管中压力，m;

Smax——调压塔内浮球阀控制最高水位(常数)，m;

Z ——塔相对于基准面高度，m;

Q3——塔内流量，m3/s;

Δt——调压塔出流时间，s;

F ——塔断面面积，m2。

1.2 真空吸气阀

真空吸气阀在系统出现负压状态时可迅速开启，自动向系统中补入大量空气。真空吸气阀安装在管线的坡峰处，与空气阀相结合，一定程度上可起到调压塔的作用。在管线发生爆管或排水阀损坏失效情况下，水流速度过快，极易形成真空，此时空气阀的吸气功能不能完全防止真空的出现，会导致爆管情况发生。在此处设置真空吸气阀可有效防止真空的出现［10］。

空气以亚音速等熵流进(P0＞P ＞0.5283P0)时，计算公式为

Cin——空气流入空气阀时的流量系数;

Ain——空气阀的进口面积，m2;

P——空气阀内绝对压力，MPa;

P0——大气绝对压力，MPa;

ρ0——大气密度。

空气以临界流速等熵流进(P≤0.5283P0)时，计算公式为

式中

式中 R——气体常数;

T0——大气温度，K。

2 水锤防护设备模型求解

水锤计算方法较多，研究采用特征线法［6，7］。特征线法基本原理是将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组转化为在特征线上的常微分方程，用差分法求解常微分方程。本研究采用特征线法［6，7］求解。水锤计算的特征差分方程为

QL1、QL2——管道L1、L2 两点的瞬态流量;

HL1、HL2——管道L1、L2 两点的瞬态水头;

CT、Cn——水锤特征沿程的特征参量;

Ca——管道的特征常数;

Cf——管道的摩阻性常数;

g——重力加速度;

a——水锤波速;

f——管道的阻力系数;

Δt——选定时间步长;

D——管道直径;

A——管道过流面积。

3 工程实例

3.1 工程简介

大伙房水库输水应急入连南段工程为泵送单管输水，前端水池水位为122.98m，后端水池水位为131.89m，管线全长36.3km，均为钢管，承压能力为1.3MPa(局部1.4MPa)，前段28.9km 管线直径为1800mm，后段7.4km 管线直径为1600mm。在距离管线起端1520m 处有泵站一座，泵站前为重力流输水。

该管线多起伏，类似于多个U 形管连接在一起。泵站内设有3台DN300 压力波动预止阀，每台水泵后设有一台缓闭液控止回阀。管线上设计有48个缓闭式空气阀，口径为DN200mm。

该工程稳态模拟计算结果见图1。

图1 管线稳态运行状况

分析可知:管线稳态运行时，管线各处自由水压远小于承压能力，管线承压能力满足稳态需求。

3.2 水锤防护方案模拟计算

在现有设备条件下(即全线空气阀方案)，水锤防护效果见图2。

图2 事故停泵水锤压力包络线

分析可知:事故停泵后局部管线负压严重，现有设备不能满足水锤防护要求，有必要增加水锤防护设备。

研究针对前述三种水锤防护设备，即真空吸气阀、单向调压塔、空气阀，分别给出一个可行的水锤防护方案，进行优化比较。

3.2.1 方案一(单向调压塔)

该方案在原设计基础上管线A、B 两处分别增加双向调压塔1个，其中A 处的单向调压塔塔高10m，直径3m，水深6m;B 处的单向调压塔塔高8m，直径2.4m，水深5m。并且A、B 两处均增加一个DN200的缓闭式空气阀。计算结果见图3。

分析可知:事故停泵时，全线最大水压110.2m，管线起端有较长的负压段，最小压力达到-4.8m，满足防护需求。

3.2.2 方案二(真空吸气阀)

方案二相对于方案一，用真空吸气阀代替A、B 两处的单向调压塔，A、B 两处的真空吸气阀口径均为300mm。并且A、B 两处均增加一个DN200的缓闭式空气阀。计算结果见图4。

图3 方案一事故停泵管道水锤压力包络线

图4 方案二事故停泵管道压力包络线

分析可知:事故停泵时，全线最大水压86.3m，管线起端有较长的负压段，最小压力达到-3.6m，满足防护需求。

3.3 方案比选

在采用不同设备获得可行的方案后，研究通过技术经济比较，确定一个较优的水锤防护方案。

3.3.1 技术性能比较

由图3、图4的分析可知:方案一泵后有较大压力产生，同时管线存在负压段，水锤防护效果较差;方案二效果比方案一好。方案一由于罐体储水易滞水而造成污染，相比之下方案二具有最好的水质保护功能。

3.3.2 经济性能比较

方案二调压塔单独使用不能满足需求，还需要配合使用两个DN200的空气阀。且塔的容积较大，工程量大，而且施工易受地形限制而有一定难度。在东北地区使用还需考虑冬季保温问题;方案二仅使用真空阀和空气阀，安装快捷简单，不受地形限制，管理方便。

3.3.3 方案的确定

综合比较上述两个方案，方案二设备安装简单快捷而不受地形限制，以较小的费用获得了较好的水锤防护效果，对于防止水污染也有较好的性能。且设备简单、最易于实施，最终被确定为最佳方案。

4 结 语

对比分析单向调压塔、真空吸气阀两种水锤防护设备的性能及适用范围，以大伙房水库输水应急入连工程为例，通过大量计算分别获得可行的方案，并对比分析各方案技术、经济性能，最终确定真空吸气阀为最优水锤防护方案。

对于形如多U 形管串连的长距离输水管线，如果管线波峰处高程差不大，管线首尾水池水位高差也不大，那么在管线波峰处采用真空阀与空气阀，水锤防护效果非常好，而且造价低廉、易于实施。

在长距离输水管线水锤计算结果还存在一定并不确定性时，要通过大量的反复计算确定水锤防护设备。ⓐ按照设备性能特点选择设备，依据计算分析确定设备位置;ⓑ多计算，通过防护效果确定设备型号;ⓒ制定几个可行的方案，技术经济比较后最终确定方案。

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