双向调压塔在长距离密闭输水管线中的应用

谭艳芳

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 工程概况

大伙房水库输水工程是辽宁省重点基础设施建设项目，是解决辽宁中南部地区水资源短缺问题的战略性工程，包括从辽宁东部地区向大伙房水库调水的一期工程和从大伙房水库向受水城市供水的二期工程。

二期工程采用长距离、多目标、大流量的密闭压力输水系统，其中鞍山以上为重力流输水方式，鞍山以下为串联加压输水方式。输水线路全长261km，包括29.1km隧洞及连接段和231.9km输水管道。由于管线的选址和沿线水库的位置关系，基于工程投资及运行安全等诸多因素考虑，本工程在大伙房水库至鞍山加压站之间的干线上共设置了6座双向调压塔，作为系统平压补水、保障安全的重要措施。其各调压塔布置情况见图1。

图1 大伙房水库输水(二期)工程调压塔布置

2 设置主要目的

大伙房水库输水(二期)工程距离长、密闭有压且中间无任何调蓄设施，调压塔的设置，其核心是起到超压泄压、负压补水，防止断流和断流弥合水锤发生。主要表现为：ⓐ全线停水关阀时，有效降低静水压线，保证管线压力在工作压力之内；ⓑ阀门动作和泵组启动时，有效平定上下游管线正压和负压；ⓒ将密闭长输管线分割成若干个水力控制和压力控制相对独立的单元。

调压塔的设置，有效避开了按最大压力选择输水管道的工作压力，大大降低了工程投资；同时保证各种运行工况时不溢流前提下，输水系统出现静压时尽量接近管道工作压力。设置调压塔后，输水管道的工作压力不超过0.6MPa。

3 结构及特征参数

3.1 双向调压塔的结构型式及工作原理

根据大伙房水库输水(二期)工程实际地形情况，并结合各种工况水压线考虑，工程沿线共设置6座双向调压塔，主要以倒U形管为主，其结构由水平进水管、90°连接弯头、进水竖管、拱形连接管、泄水竖管、消能孔板、水垫层、泄水三通、水平泄水管等组成。其结构类似虹吸管，见图2。

图2 双向调压塔结构示意图①-水平进水管；②-进水管竖向弯头；③-进水竖管；④-竖向连接法兰；⑤-楼板；⑥软连接固定装置；⑦-空气阀；⑧-通气孔；⑨-拱形连接管；⑩-进泄水连接管；-连通阀；-混凝土支墩；-泄水竖管；-消能孔板；-泄水三通；-水垫管；-泄水水平管；-压力计；-水位计

当管道正常运行时，调压塔水压等于管道工作压力；当由于关阀等产生正压水锤时，顶部空气阀排气和吸气，泄水竖管溢流泄压；当由于突然停泵等产生负压水锤时，通过进水竖管向主管道内补水补气。为防止溢流时由于复杂流态而引起U形管振动或晃动，利用3cm厚橡胶垫片外加固定钢圈设置软连接装置与楼板连接，同时顶层设置混凝土支墩支撑固定拱形连接管。

3.2 特征参数及物理意义

1号调压塔位于输水隧洞段，为高位水池，其余各调压塔均采用倒U形管结构型式。各双向调压塔的特征参数见表1。

表1 双向调压塔特征参数

由表1可见，相邻两座稳压塔的间隔在16～39km之间，其中3号塔与4号塔间距较大是因为在沈阳二配水站设置了干线调节阀；5号塔与6号塔间距较大，主要考虑此区间压力曲线平缓，压差较小。调压塔底部进水管与管顶平接，进水管底高程即为管顶高程；顶部出水管高程即调压塔溢流水位。当管线压力升高至调压塔顶高程并继续上升后，则稳压塔开始溢流，并维持系统压力不超过调压塔顶部压力标高。

为减少当输水管线的实际流量低于设计流量或水库水位高于120m时调压塔发生溢流的概率，运行中利用设在抚顺配水站和沈阳二配水站处的干线调流阀配合进行减压。

4 运行分析

大伙房水库输水(二期)工程自2010年底通水，干线各双向调压塔正式投入运行。由于工程运行初期，沿线供水量较小，管线运行压力相对较高，在调度中充分利用干线调节阀进行降压，减少调压塔的溢流频次和溢流量，保证管线动水压力不超设计值。

4.1 运行水位控制

由于所处的位置和沿线水量分配的差异，本工程6座双向调压塔的水位调控差异较大。根据运行现状，主要溢流瓶颈为沈阳一处的3号塔、沈阳二至辽阳区间的5号塔。各调压塔运行水位见表2。

表2 1～6号调压塔运行控制水位

4.2 典型工况运行分析

4.2.1 大连支线增量

大连支线接管点位于鞍山加压泵站，在输水管线的下游。距离接管点最近的调压塔为6号塔。由于大连支线供水量较大(60万m3/d)，由0增至60万m3的过程全线压力大幅波动，3号、5号调压塔出现大量溢流。整个增量过程调压塔的平压作用显著且反应迅速。典型调压塔压力随时间变化曲线见图3～图6。

图3 1号塔压力变化曲线

图4 3号塔压力变化曲线

图5 5号塔压力变化曲线

图6 6号塔压力变化曲线

其中，1号塔受抚顺干线调节阀的影响成阶梯上升，3号塔伴随出现溢流。为了保证下游压力水头尽量富余，5号塔保持较长时间溢流，压力波动幅度在10m左右。6号塔瞬时有升压，随着大连支线阀门的开启迅速降低，最终趋于平稳。

在计划性增量过程中，压力变化可控性高，突变拐点较少，整体变化趋势呈阶梯上升，阶梯下降，最后趋于平稳。主要原因是增量过程分阶段执行，同时沈阳二干线调节滞后抚顺干线3min，支线调节滞后干线调节5min左右。

4.2.2 沈阳二支线事故关阀

沈阳二支线水厂阀门突然自行关闭，导致事故停供，支线水量由48万m3/d减至0。由于是突发状况应对，在事故发生初期系统压力主要靠调压塔进行调节。由于受沈阳二干线调节阀的控制，沈阳二支线事故停供发生后对下游压力影响最大也最直接，4号塔瞬时升压5.9m，5号塔溢流。1号、3号调压塔的压力波动主要受调度干预的影响。整个过程1号、3号、5号调压塔压力随时间变化情况见图7～图10。

图9 4号塔压力变化曲线

图10 5号塔压力变化曲线

事故关阀为突发性状况，由于调控滞后的原因，系统压力曲线峰值点或峰谷点显著。后期人为调控后，压力逐渐恢复。整个压力波动趋势呈由高点不断下降或由低点不断上升的状态。

4.2.3 干线局部管线停运

沈阳二支线5号塔A线检修停运，该区间运行管线由双线变为单线。为保证下游供水不小于设计水量70%，大连支线供水量配合由60万m3/d减至20万m3/d。该操作为计划性检修，上下游截断阀的关闭规律为不小于900s线性关阀。由于单线水头损失的增加，4号塔的压力波动幅度最大达到20.5m，在后续大连支线配合减量后逐步回升。5号塔在整个过程一直处于降压，始终处于补水平压状态。调度过程各调压塔压力变化见图11～图14。

图11 1号塔压力变化曲线

图12 3号塔压力变化曲线

图13 4号塔压力变化曲线

图14 5号塔压力变化曲线

管线的切除过程，虽为计划性操作，但较水量增减对系统影响而言，影响程度和范围都更大。为了尽量保持平稳过渡，沈阳二至5号塔区间管线切除分为沈阳二至4号塔、4号塔至5号塔两个区段的切除。在切除段上游，压力曲线由于减量先降低，管线切除后升高；在切除断下游，压力呈显著降低趋势。根据恒定流水力计算，稳压塔压力波动幅度及最终的压力水平与理论计算结果吻合。

在典型运行工况下干线各调压塔压力变化与上下游相关联的压力节点呈现了相符的变化规律，且反应迅速、溢流及时畅通。调压塔的运行，有效减少了系统压力大幅波动的时长，发挥了良好的平压补水、控制和降低系统压力的调控作用，保护了管线及设备。同时，由于调压塔的分割，密闭系统划分为相对独立的水力控制单元，降低了输水系统调度运行的难度。

调压塔在日常运行中，特别是在东北地区，冬季保温是安全运行的重要保障。为防止调压塔因冻结失效，可采用增加备用闸阀和波纹管、在溢流面增加电加热管、在管道表面增加伴热带等措施。此外，可在溢流口、抽排口设置防冻水泵。

5 结 语

大伙房水库输水工程双向调压塔运行至今，尚未出现结构上的损坏和因运行异常而导致的各类安全事故和工程事故。双向调压塔在实际运行中充分发挥了超压溢流、负压补水的功能，在极端典型工况下控制可靠、灵活，在调流、调压方面起到了关键作用。实践证明，双向调压塔在长距离、密闭有压的输水管线系统中应用是安全可靠的。双向调压塔在密闭输水管线上的设置间隔应综合考虑沿线水力坡降、压力水头、调控设施等因素，一般情况宜在20km左右。合理选择泄水竖管消能孔板的数量及尺寸、降低顶部负压和软连接减振措施是U形管结构双向水力调压塔设计的关键，大伙房水库输水工程双向调压塔的成功应用，可为同类工程提供借鉴。