曹妃甸工業(yè)區(qū)供水工程停泵水錘防護措施的比選

王繼忠，董傳紅

（1.唐山市水利規(guī)劃設計院，河北 唐山063000；2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 引言

曹妃甸工業(yè)區(qū)供水工程是曹妃甸工業(yè)區(qū)重要的基礎設施之一，供水規(guī)模年均8200萬m3（日均供水22.5萬m3），取水水源為陡河水庫，采用一次揚水方案。取水泵站位于現(xiàn)有唐山堿廠取水泵站西側(cè)20m處，采用合建式岸邊取水泵房，總裝機容量3433kW，共安裝立式離心泵4臺，采用三用一備的運行方式。供水工程輸水管線全長99km，兩條壓力管道輸水。

曹妃甸工業(yè)區(qū)供水工程輸水管線長，在管線上游沿地形有兩處明顯的凸部，當水泵開、停機時，有可能引發(fā)巨大的水錘升壓，特別是停電或其他原因產(chǎn)生的事故停泵可能引發(fā)水錘事故，危及供水工程的安全運行。

2 不同停泵水錘防護措施

2.1 增設慣性飛輪，加大機組的轉(zhuǎn)動慣量

增加水泵機組轉(zhuǎn)動部分的飛輪慣量，可延緩水泵機組開始倒轉(zhuǎn)的時間，減慢停泵后水泵轉(zhuǎn)速的變化，因而可避免事故停泵時水泵轉(zhuǎn)速的急劇下降，防止水柱分離。但對于大流量系統(tǒng)，需將慣性飛輪增加很大才會有明顯的效果，而增加機組轉(zhuǎn)動慣量一方面受到安裝條件的限制，另一方面給機組的啟動帶來困難。因此，此種方法一般更適用于小流量的短管道系統(tǒng)。

2.2 增設空氣罐

空氣罐（壓力罐）是一個與管道連接、上部為壓縮空氣，下部為水的壓力容器。一旦發(fā)生事故停泵，在管道中第一階段壓力降低時，與管道連接的空氣罐罐內(nèi)空氣迅速膨脹，下部的水在空氣壓力作用下迅速補充給主管道以減少負壓，防止產(chǎn)生水柱分離。

空氣罐安全可靠，水錘防護效果好，其缺點是必須裝設專用的空氣壓縮機及其輔助設備，同時需要經(jīng)常維護，工程造價也比較昂貴。

2.3 空氣閥

空氣閥（進排氣閥）的作用原理是：當空氣閥處的管內(nèi)壓力降到低于1個大氣壓時，空氣閥打開，讓空氣流入；管內(nèi)壓力增加到1個大氣壓以上時允許空氣流出，從而防止管道中因負壓而造成的水錘事故。這種方法具有構造簡單，造價低，安裝方便，不受安裝條件限制等特點。但目前生產(chǎn)的空氣閥，由于試驗研究及理論研究尚不充分，故對空氣閥的選擇應十分慎重。

2.4 普通調(diào)壓塔

普通調(diào)壓塔是1個接到管路上的開敞式豎井或水塔，其主要目的是防止壓力管道中產(chǎn)生負壓形成水柱分離。一旦管道中壓力降低，調(diào)壓塔迅速給管道補水，以防止或減小負壓，避免出現(xiàn)水柱分離，同時在水錘壓力上升時管道中的水倒流入調(diào)壓塔，可以減小水錘壓力上升。

普通調(diào)壓塔結(jié)構簡單，安全可靠，易于維護，但在正常工作時，調(diào)壓塔的水面高程與管道的壓力水頭線等高，因此調(diào)壓塔的高度、容量都較大，設置調(diào)壓塔受到地形、工程投資的約束。

2.5 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔的結(jié)構如圖1所示，是1種只允許單向流動的調(diào)壓塔，主要用于防止管道中產(chǎn)生負壓。與普通調(diào)壓塔相比，單向調(diào)壓塔在與輸水主管道相連的短管上裝有逆止閥，水流只能在主管壓力降低至塔內(nèi)水面以下時由塔內(nèi)向主管道充水，防止管道中壓力降低而產(chǎn)生水柱分離。另外裝設有充水管道，由主管道引水對單向調(diào)壓塔進行充水，當充水至控制水位時，裝在單向調(diào)壓塔中的浮球閥（或其他控制裝置）將自動關閉充水管道，停止充水，因此可以大大降低調(diào)壓塔的高度。

圖1 單向調(diào)壓塔結(jié)構及原理

3 不同停泵水錘防護措施效果比選

停泵水錘過渡過程主要解決的問題，一是水泵出口至管線最高點之間的水柱分離及再彌合問題；二是管線最高點處的斷流問題。

針對各種水錘的特點，考慮以下幾種防護方案。

3.1 方案1（單向調(diào)壓塔+空氣閥）

考慮輸水管線布置的特點，在樁號0+150m處設置兩個并聯(lián)的單向調(diào)壓塔（即每條輸水管道上各設1個），其結(jié)構參數(shù)見表1。

表1 單向調(diào)壓塔的結(jié)構參數(shù)

在泵出口閥兩階段關閉的情況下，各種不同的進、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果見表2。

表2 事故停泵水錘計算結(jié)果（防護方案1）

發(fā)生事故停泵后，當單向調(diào)壓塔處管道內(nèi)的壓力低于單向調(diào)壓塔的作用水頭時，水從單向調(diào)壓塔流向管道，有效消除了管道內(nèi)的水柱分離現(xiàn)象，同時，單向調(diào)壓塔內(nèi)水位降低，并最終穩(wěn)定在1.48m。

單向調(diào)壓塔的設置有效消除了水泵出口至管線最高點之間管段的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，此管段各點的最大水錘壓力與穩(wěn)態(tài)運行的壓力基本相同，泵出口閥后點的最大水錘壓力為55.32m；由于在管線最高點處設置了空氣閥，當發(fā)生事故停泵后，最高點處的壓力低于大氣壓時，空氣閥打開，空氣進入，切斷水流，最高點下游側(cè)水流呈重力流狀態(tài)，無水柱分離現(xiàn)象及大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.2 方案2（空氣閥+空氣閥）

在泵出口閥兩階段關閉的情況下，各種不同的進、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果見表3。

表3 事故停泵水錘計算結(jié)果（防護方案2）

在樁號0+150m處設空氣閥對泵出口至管線最高點之間管段內(nèi)的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象有一定程度的改善作用，但由于空氣閥的保護作用有限，此管段內(nèi)的水錘壓力仍然大大超過穩(wěn)態(tài)運行時的工作壓力，也大大超過管道的設計工作壓力，泵出口閥后點的最大水錘壓力仍然達到160.27m；由于在管線最高點處設置了空氣閥，當發(fā)生事故停泵后，最高點處的壓力低于大氣壓時，空氣閥打開，空氣進入，切斷水流，最高點下游側(cè)水流呈重力流狀態(tài)，無水柱分離現(xiàn)象及大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.3 方案3（普通調(diào)壓塔+單向調(diào)壓塔）

普通調(diào)壓塔位于管線最高處，該處的管軸線中心高程為71.52m，由于在正常穩(wěn)態(tài)運行過程中，普通調(diào)壓塔內(nèi)的水位與壓力水頭線等高，因此，在進水池水位分別為最低水位28.62m，平均水位32.70m和最高水位40.80m的條件下，塔內(nèi)水位高程分別達到86.95m、90.03m和96.13m，相應水深分別為15.43m、18.51m和24.61m。另外，由于管線最高處的高程遠遠高于出水池的水位4.0m。因此，在管線出口無斷流措施的情況下，不論普通調(diào)壓塔的容積有多大，隨著時間的延長，普通調(diào)壓塔內(nèi)的水體最終會流空。

假設在普通調(diào)壓塔的容積足夠大，足以保證在計算時段內(nèi)水體不流空的條件下，對方案3的水錘防護效果進行分析。

采取方案3的防護措施后，在泵出口閥兩階段關閉的情況下，各種不同的進、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果見表4。

表4 事故停泵水錘計算結(jié)果（防護方案3）

當單向調(diào)壓塔處管道內(nèi)的壓力低于單向調(diào)壓塔的作用水頭時，水從單向調(diào)壓塔流向管道，有效消除了水泵出口至管線最高點管段內(nèi)的水柱分離現(xiàn)象，同時，單向調(diào)壓塔內(nèi)水位降低。

管線最高點處的普通調(diào)壓塔將管線分為兩段，前面一段水體由水泵提升，普通調(diào)壓塔后面的一段為重力流。由于單向調(diào)壓塔的設置，水泵出口至普通調(diào)壓塔的管線中無大的水錘壓力出現(xiàn)，泵出口閥后點的最大水錘壓力為63.41m；而普通調(diào)壓塔后面的一段，由于水流為重力流，也無大的水錘壓力出現(xiàn)。

3.4 方案4（普通調(diào)壓塔+空氣閥）

采取方案4的防護措施后，在泵出口閥兩階段關閉的情況下，各種不同的進、出水池水位組合條件下的事故停泵水錘計算結(jié)果見表5。

表5 事故停泵水錘計算結(jié)果（防護方案4）

在0+150m處設置的空氣閥不能消除水泵出口至管線最高點間管段內(nèi)的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，泵出口閥后點的最大水錘壓力仍然達到145.62m，此管段其他各點的最大水錘壓力都遠遠大于管道的設計工作壓力。

由于在管線最高點設置了普通調(diào)壓塔，因此，普通調(diào)壓塔后的管段內(nèi)為重力流，在事故停泵過渡過程中無大的水錘壓力出現(xiàn)。

4 結(jié)語

（1）由前述4個方案的計算結(jié)果可知，僅僅在樁號0+150m處設置空氣閥，不能有效消除水泵出口至管線最高點之間的水柱分離及其再彌合現(xiàn)象，不能將最大水錘壓力控制在管道設計工作壓力范圍內(nèi)，而在相同位置設置單向調(diào)壓塔，則可有效減小水錘壓力，并將其控制在管道設計工作壓力范圍內(nèi)。

（2）在管線最高點設置普通調(diào)壓塔和空氣閥均可有效消除事故停泵后最高點處的負壓現(xiàn)象，切斷水流。但設置普通調(diào)壓塔的高度要高于最大壓力水頭線，其高度將超過15m（進水池水位最高時，普通調(diào)壓塔的高度將超過24m），增加了工程建設的投資。

（3）經(jīng)方案比較，本供水工程采取的水錘防護措施為：泵出口閥兩階段關閉，快關5s/70°；慢關20s/20°，在樁號0+150m處設置單向調(diào)壓塔（每條管1個），經(jīng)優(yōu)化確定，其結(jié)構尺寸為：直徑D=2.5m、正常水深H=3.0m、補水管直徑Dp=0.25m（兩條）；在管線最高點處設置空氣閥，空氣閥的口徑為Dg=300mm。

（4）在管線出口末端無斷流措施的條件下，管線最高點處不論是設置普通調(diào)壓塔或是空氣閥，均會出現(xiàn)隨著時間的延長，最高點以下管道內(nèi)水體流空的情況，從而給系統(tǒng)的重新投入運行帶來困難。因此，必須考慮在管線出口設置斷流措施。

［1］劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護［M］.北京:水利電力出版社，1998.

［2］劉光臨，劉梅清，馮衛(wèi)民.采用單向調(diào)壓塔防止長輸水管道水柱分離的研究［J］.水利學報，2002（9）:44-49.