長距離重力流輸水管道中防水錘技術(shù)分析

辛亞娟

1 概述

目前，我國許多大中城市尤其是北方城市由于當(dāng)?shù)厮Y源缺乏，不能滿足國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平不斷提高對水的需求，必須興建長距離調(diào)水工程，以緩解水的供需矛盾。管道輸水方式因其具有可隨地形條件鋪設(shè)，對地質(zhì)條件要求不高，滲漏損失小，能保證輸水水質(zhì)，施工方便，造價(jià)較低，管理方便等優(yōu)點(diǎn)，常作為設(shè)計(jì)者優(yōu)先考慮的方案。因此長距離重力流輸水管路的水錘防護(hù)技術(shù)分析，不僅對供水工程的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，而且對指導(dǎo)供水工程的安全運(yùn)行也具有十分重要的意義。

2 重力流輸水管水錘防護(hù)分析

輸水管起末端的高度差越大時(shí)，有壓重力輸水的可利用水頭就越大，當(dāng)確定輸水設(shè)計(jì)流量時(shí)，輸水管管徑越小，投資越少，輸水管流速越大，運(yùn)行時(shí)可能引起的水錘升壓就越高。有壓重力輸水在以下三種情況需消減富余能量[1]:1)當(dāng)可利用水頭過大，管中流速超過3 m/s或超過水錘計(jì)算所確定的最大流速時(shí);2)起端(如水庫等)水位變幅較大時(shí);3)低于設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，輸水管下游管道因壓力增加較多，不利于安全輸水時(shí)。

第一，三種情況減壓裝置常設(shè)在輸水管的中下游;第二種情況常設(shè)在輸水管中上游;第一，三種情況設(shè)置的減壓閥對輸水管還具有較好的水錘防護(hù)和減少漏失水量的功能。

多起伏以及落差較大的“U”字形重力流管路系統(tǒng)是否需要減壓和分幾級減壓，主要取決于輸水管總落差的大小和管道的承壓能力。落差越大，管道允許承壓能力越低，需要設(shè)置減壓的級數(shù)就越多。針對重力流管路系統(tǒng)，降低管材承壓等級、減少工程造價(jià)，并預(yù)防水錘的發(fā)生是重點(diǎn);消減關(guān)閥水錘，將借助于緩閉蝶閥和減壓措施，防護(hù)管道某些部位可能產(chǎn)生水柱中斷，以及斷流水錘升壓，減少爆管事故;對于較平坦的管路系統(tǒng)，主要以減壓恒壓閥為降壓措施，用恒速緩沖排氣閥及時(shí)排出管道氣體，預(yù)防斷流彌合水錘，避免氣水兩項(xiàng)流的發(fā)生。

3 各類水錘防護(hù)方法的技術(shù)分析

3.1 消能減壓防護(hù)技術(shù)分析

3.1.1 減壓消能原理

靜水中是具有壓力的，作用在單位面積上的靜水壓力為靜水壓強(qiáng)，它隨水的深度增加而增加。靜水壓強(qiáng)的大小，是相對于大氣壓而言的。輸水管道內(nèi)作用在管道內(nèi)壁的靜水壓力，在與大氣相接觸時(shí)，即在瞬間，靜壓能量以其他方式轉(zhuǎn)化消耗，此時(shí)視管道內(nèi)液體與大氣接觸面的相對壓強(qiáng)為零，即消能構(gòu)筑物必須有與大氣相連接的裝置，并且要達(dá)到簡單和保證飲用水供水安全的目的[2]。輸水管道內(nèi)除去只與水深有關(guān)的靜水壓強(qiáng)外，還存在動(dòng)水壓強(qiáng)，它不僅與該點(diǎn)的空間位置有關(guān)，還與水的流動(dòng)有關(guān)。

3.1.2 減壓閥減壓消能分析

重力輸水管管徑按充分利用作用水頭選取，故在設(shè)計(jì)流量工況下運(yùn)行時(shí)無剩余能量，在流量低于設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行時(shí)，水頭損失減少，重力流輸水管路就有了富余能量。在安裝減壓閥的系統(tǒng)中富余能量的大部分由減壓閥自動(dòng)消除，使管路末端壓力減輕，其原理如圖1所示。

圖1中A1為不安裝減壓閥時(shí)的靜水壓線。A2為不安裝減壓閥流量最大時(shí)的測壓管水頭線，如果管道上安裝的是減壓恒壓閥，其出口壓力調(diào)節(jié)與不裝減壓閥時(shí)的水頭線重合，則A2也是安裝減壓閥后最大流量時(shí)的測壓管水頭線，即減壓閥在此流量時(shí)不減壓，亦不耗能。A3為較小流量時(shí)不安裝減壓閥時(shí)的管道壓力線，可見末端管路此時(shí)壓力較大。B2是安裝減壓閥后且流量較小時(shí)末端(即減壓閥下游)管道壓力線(可見壓力不大)。B1是安裝減壓閥后的靜壓線，可見它遠(yuǎn)小于不裝減壓閥時(shí)的靜壓線A1，故安裝減壓閥利于管道安全運(yùn)行和降低維修成本。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范》可知，減壓閥出口恒壓值根據(jù)最大設(shè)計(jì)水量水壓線調(diào)整出口壓力值，可實(shí)現(xiàn)在最大設(shè)計(jì)流量時(shí)不減壓消能，而僅消減小流量運(yùn)行產(chǎn)生的富余能量。

3.2 關(guān)閥水錘防護(hù)分析

3.2.1 減壓恒壓閥防護(hù)

重力流輸水管道因閥件及管道接頭等漏水、管道爆裂、下游系統(tǒng)正常保養(yǎng)等原因需停運(yùn)時(shí)，絕大多數(shù)采用關(guān)下游出口閥門的方法。結(jié)合圖2說明關(guān)閥過程中減壓閥的水錘防護(hù)作用[3]。由圖2可見，不安裝減壓閥的靜水壓線為 H，而壓力振蕩值為 Δ H，而安裝減壓閥后的管路末端靜水壓力線為 H′，壓力振蕩值為 Δ H′。

對于重力流輸水管，關(guān)閥過程中的流量變化公式如下:

其中，H為重力流輸水管道總作用水頭;Q為重力流輸水管道內(nèi)流量;A為管道比阻;L為管道長度;d為管徑;ζ為末端閥阻力系數(shù)。

設(shè)關(guān)閥前阻力ζ0，最大設(shè)計(jì)流量 Q0，則在關(guān)閥過程中流量為:

由于閥門阻力系數(shù)在勻速關(guān)閥過程中不是均勻增加的(一般是在關(guān)閥前60°～70°增大不多，對流量 Q減少也不大，但在以后的20°～30°則突然增加)，故極易造成很大的關(guān)閥水錘。由式(2)可見，管道長度L越大，ζ值對流量的影響越小，越易造成最后突然關(guān)閥時(shí)流量最大。而加裝減壓閥后L值僅為減壓閥后的管段，故L值變小，流量 Q值亦減小。由此可見，重力流輸水管安裝減壓閥對水錘防護(hù)作用極大。

3.2.2 緩閉蝶閥防護(hù)

關(guān)閥水錘防護(hù)最簡單有效的方法是延長閥門關(guān)閉的時(shí)間，選擇可控制的兩階段關(guān)閉蝶閥。就某一種管道安裝情況來說，應(yīng)考慮幾種可能的解決辦法，這些方法包括:在閥門處布置旁通管;對閥門最后15%～20%開度提供緩沖保護(hù);采用雙速(兩段式啟閉)閥門。延長閥門關(guān)閉(或打開)時(shí)間，可以將水錘壓力控制在一定范圍內(nèi)，這對大型閥門是簡單易行的。對于長管線來說，按照控制水錘壓力反算的閥門關(guān)閉(開啟)時(shí)間往往較長，達(dá)到5 min～10 min甚至更多，同調(diào)度運(yùn)用靈活性要求構(gòu)成了矛盾。因此，對長管道的水錘危害問題應(yīng)進(jìn)行專家分析，采用組合方案。

3.3 緩沖排氣技術(shù)分析

長距離輸水管路的高點(diǎn)處或膝部，由于很多原因常常會聚集大量氣體，引起管道氣堵，甚至水流中斷;或者發(fā)生水柱分離水錘，形成液體局部汽化空腔(蒸汽腔)。為了保護(hù)管路，沿管路必要處可設(shè)置進(jìn)排氣閥。根據(jù)氣液兩相流態(tài)分析，造成管道排氣困難及爆管水阻增大等現(xiàn)象的主要是段塞流，故工程實(shí)踐中均利用恒壓緩沖排氣閥能滿足管道中水氣相間條件下能連續(xù)大量排氣的要求，從而安全、平穩(wěn)的排出管道中氣體，防止氣阻增大帶來危害。根據(jù)國外相關(guān)技術(shù)資料和國內(nèi)近年來的工程實(shí)驗(yàn)，輸水管道上排氣閥的布置方式為管道坡度小于 1‰時(shí)，每隔0.5 km～1.0 km設(shè)一個(gè)，每個(gè)排氣閥都設(shè)在該管段的最高點(diǎn)，當(dāng)多起伏管道時(shí)，可根據(jù)其起伏高度分析是否需要增加，必要時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的水力計(jì)算。

4 結(jié)語

經(jīng)過防護(hù)技術(shù)分析，總結(jié)出長距離重力流輸水工程水錘防護(hù)的主要措施有恒速緩沖排氣閥、恒壓減壓閥并結(jié)合末端兩階段關(guān)閉蝶閥，并推薦將這幾類防護(hù)措施綜合運(yùn)用到重力流輸水工程中，可以達(dá)到很好的防水錘效果。

[1] CECS 193∶2005，城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 肖文淵.長距離大口徑輸水管道綜合式消能井結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D].2003:12.

[3] 楊玉思，潘惠民，何 青.供水系統(tǒng)中大型減壓閥的作用分析[J].中國給水排水，2003，19(7):82-83.

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