調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)消減作用

莊文建

摘要：隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，日常生活與生產(chǎn)中對水的需求量越來越大。所以，輸水工程的建設(shè)越來越受到人們的關(guān)注。我國的地域條件比較特殊，這對輸水規(guī)模的影響比較大，增加了輸水工程的建設(shè)難度。如何避免水擊事故并且盡量降低水擊壓強(qiáng)，成為當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文重點(diǎn)分析了調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)消減作用，并且結(jié)合實(shí)際情況，加強(qiáng)調(diào)壓塔的作用，提高輸水工程的質(zhì)量與安全性。

關(guān)鍵詞：調(diào)壓塔；長輸管線；水擊壓強(qiáng)；消減作用

隨著社會的發(fā)展，對于水的需求量是越來越大的，但是在目前的輸水工程的建設(shè)中，存在很多的問題。由于受地域條件的影響，在輸水過程中，水力瞬間變化會激增管道的壓力，這種壓力會使輸水管爆裂發(fā)生水擊事故，水擊事故不僅會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時也帶來了嚴(yán)重的安全問題，嚴(yán)重影響輸水工程建設(shè)的發(fā)展。調(diào)壓塔在長輸管線水擊壓強(qiáng)方面所起的消減作用，在一定程度上避免了水擊事故的出現(xiàn)，并且也增加了工程的安全性。

1 調(diào)壓塔簡介及消減原理

調(diào)壓塔主要在水力瞬變過程中降低由于突然的變化帶來的水擊壓力，從而實(shí)現(xiàn)在水力過渡過程中控制管道的水擊壓力，并且保護(hù)機(jī)組運(yùn)行條件。調(diào)壓塔在一定程度上還可以改善水輪機(jī)的調(diào)節(jié)特性。調(diào)壓塔在長輸管線水擊壓強(qiáng)消減方面有著很大的作用，并且在運(yùn)行過程中的可靠性較高，在水力瞬變過程中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

調(diào)壓塔主要分為單向調(diào)壓塔和雙向調(diào)壓塔。雙向調(diào)壓塔中的緩沖式水錘保護(hù)設(shè)備，不僅擁有補(bǔ)水功能，而且還有泄水功能。在雙向調(diào)壓塔中，當(dāng)管道壓力降低時，可以迅速向管路中注水，從而增強(qiáng)管道中的壓強(qiáng)，防止由于壓強(qiáng)過低使得真空環(huán)境造成管道水柱分離，對輸水管造成影響。而相應(yīng)的，當(dāng)管路中的壓力升高時，此時雙向調(diào)壓塔就會發(fā)揮其泄水功能，降低管路中的壓力。雙向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，可以為工作的進(jìn)行帶來很多的便利，而且對于雙向調(diào)壓塔中的設(shè)備后期管理維修工作比較少，提高了工程的效率。雙向調(diào)壓塔為了在水力波動時保證塔內(nèi)的水位波動不大，一般需要較大的體積，這樣可以有足夠的斷面積，從而也提高工作的可靠性。但是雙向調(diào)壓塔所要求的高度比較大，在工程建設(shè)方面所需的成本比較高，而且施工的難度也比較大，所以難免也會產(chǎn)生一些問題。

雙向調(diào)壓塔一般分為圓筒式調(diào)壓塔、阻抗式調(diào)壓塔、雙室式調(diào)壓塔和差動式調(diào)壓塔四種類型，每種類型都有其特殊的作用。最為簡單的調(diào)壓塔是圓筒式調(diào)壓塔，其結(jié)構(gòu)是相對簡單的，在低水頭的輸水工程中應(yīng)用較為廣泛。圓筒式調(diào)壓塔自上而下都有相同的橫截面積，對于水錘的反射有相對較好的效果?？墒牵瑘A筒式的調(diào)壓塔，在塔中所造成的水體波動比較大，對塔內(nèi)所造成的影響較大。相較于圓筒式調(diào)壓塔，阻抗式調(diào)壓塔通過將塔底部縮小，并且形成一個短管與主管道連接，這樣在調(diào)壓塔的底部就會存在一種阻力，從而可以降低水體的整體波動性，并且也保證塔內(nèi)水位波動較小。但是，由于阻抗式調(diào)壓塔塔底結(jié)構(gòu)的改變，就不具備圓筒式調(diào)壓塔發(fā)射水波效果較好的作用。雙室式調(diào)壓塔分為上下兩個儲水室，兩者共同發(fā)揮著作用，當(dāng)輸水管中壓力增大時，就通過上室蓄水降低壓力，相應(yīng)的，當(dāng)輸水管中壓力降低時，此時下室就會通過補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)壓力的增高。雙室式調(diào)壓塔在上下兩室之間還有一個用于連接兩者的豎井，這種結(jié)構(gòu)的調(diào)壓塔在水頭較高、水庫的工作深度較大的水利工程建設(shè)中的應(yīng)用比較廣泛。差動式調(diào)壓塔由內(nèi)外兩個同心圓筒、升管、溢流堰與底部的阻力孔組成。底部的阻力孔主要用于管道壓力升高所引起的調(diào)壓塔中水位迅速上升現(xiàn)象。而且當(dāng)內(nèi)筒水位較高，并且超過溢流堰時，此時多余的水就會溢出溢流堰流到外筒，從而保證水位的高度是保持在一個定值的。

對于易產(chǎn)生水柱分離的峰點(diǎn)、漆點(diǎn)、駝峰以及魚背等的輸水管線來說，單向調(diào)壓塔是比較適用的，在這其中單向調(diào)壓塔可以很好的發(fā)揮防止管道負(fù)壓以及消減斷流彌合水錘的作用。相比于雙向調(diào)壓塔，單向調(diào)壓塔的體積是比較小的，并且對于水流的方向是單向的，只允許水流從塔內(nèi)流入管網(wǎng)中。通常在正常工作時，單向調(diào)壓塔的止回閥是關(guān)閉的，此時主要讓注水管向水箱內(nèi)充水，當(dāng)水位達(dá)到指定標(biāo)準(zhǔn)后，浮球閥就會使注水停止。當(dāng)水擊波來的時候，此時止回閥會迅速打開，使得水流從塔內(nèi)流出，足夠的水通過主水管利用勢差能注入管道中，從而避免水擊事故的發(fā)生，提高輸水工程建設(shè)的安全性。

2 水擊基本理論與調(diào)壓塔的水體震蕩

2.1 水擊現(xiàn)象的分析

在水流過程中，管路中的瞬變流現(xiàn)象是比較常見的，同時也是輸水工程中重點(diǎn)關(guān)注與需要解決的。水流過程中瞬變流現(xiàn)象的產(chǎn)生，會形成較大的壓力變化，這種壓力變化會以波的形式在管道中傳播，這就是水擊現(xiàn)象。在輸水過程中，水擊波傳播速度是比較快的，對管道所造成的影響比較大，并且會受管道的厚壁、材料的彈性等因素的影響。對水擊現(xiàn)象的分析過程中，主要是對水可壓縮性的分析。

在變壓作用下要為了更好的對水擊現(xiàn)象進(jìn)行分析，就必須考慮管壁的彈性和水的可壓縮性，并且在對彈性水柱的分析中，可以結(jié)合對比剛性水柱理論，在一定程度上，這兩者是有共同點(diǎn)的，可以幫助工作更好的進(jìn)行。管道的厚壁和材料的彈性對水擊波的傳播速度影響是比較大的，通過一系列的研究結(jié)果表明，管壁越薄，而且富有彈性的大口徑金屬管對水擊的降低越有利。

在水擊現(xiàn)象的研究過程中還有對直接水擊與間接水擊的研究與對比。直接水擊更多的是一種閥門瞬間關(guān)閉的理想狀態(tài)，在實(shí)際操作過程中是很難實(shí)現(xiàn)的，而在這個過程中，可以將閥門緩慢關(guān)閉過程看為一系列瞬間關(guān)閉的疊加，在這個過程中每一個瞬間關(guān)閉對于流速的影響是比較小的，而且這種微小的變化，所產(chǎn)生的水擊波也是比較小的，從而也形成微小壓力的變化梯度。間接水擊波主要通過閥門來控制并且減緩水擊的影響，在實(shí)際的操作過程中，主要通過合理的參數(shù)，減少直接水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)消減作用。在這個過程中，關(guān)閥時間對水擊波也是有一定影響的，為了降低水擊波對輸水管道的沖擊力，需要盡量延長關(guān)閥時間，使得水擊波進(jìn)行合理的疊加，對較強(qiáng)的水擊波可以起到一種緩沖作用。另外，為了減小水擊波的周期，可以在輸水管道工程建設(shè)時，通過對管線中設(shè)置調(diào)壓塔、空氣管的穩(wěn)壓裝置來縮短管道的長度，從而可以減緩水擊現(xiàn)象所產(chǎn)生的壓力。

2.2 調(diào)壓塔的水體震蕩

調(diào)壓塔的水體震蕩現(xiàn)象主要是發(fā)生在塔與蓄水池之間的一種來回往復(fù)的震蕩現(xiàn)象，此時水擊波與管道中音速的速度傳播是比較接近的。調(diào)壓塔的水體震蕩與U形管中的水面震蕩是比較類似的，震蕩的速度比管道中的水擊波要慢，但是震蕩周期相對于較快。

調(diào)壓塔一般設(shè)置在蓄水池與產(chǎn)生水力瞬變的波源之間，水擊波由波源傳播到調(diào)壓塔的過程中，與調(diào)壓塔內(nèi)水位有較大的關(guān)系，此時塔內(nèi)的水位受塔內(nèi)的壓力而變化，并且水位在調(diào)壓塔的調(diào)節(jié)下實(shí)現(xiàn)較為科學(xué)、合理的工作體系。調(diào)壓塔的合理設(shè)計，主要是確定調(diào)壓塔的高程與震蕩的衰減頻率和速度。在這其中，衰減的頻率是很重要的，并且這種衰減頻率還影響著閥門的重復(fù)開閉頻率，一般情況下，如果衰減頻率與閥門的重復(fù)開閉頻率相同時，可以最大程度的發(fā)揮調(diào)壓塔的作用，并且還可以降低塔內(nèi)水位的震蕩幅度。如果調(diào)壓塔的設(shè)計合理，那么可以減少大量棄水的產(chǎn)生，促進(jìn)輸水工作的正常進(jìn)行，從而也為輸水工程的建設(shè)提供有利條件。

3 調(diào)壓塔對水擊壓力的消減作用

調(diào)壓塔對水力瞬變過程所產(chǎn)生的壓力有消減作用，調(diào)壓塔主要起緩沖作用，通過補(bǔ)水與泄水過程來實(shí)現(xiàn)對管道壓力的調(diào)節(jié)，保證輸水工作的正常進(jìn)行，減少水擊事故。

3.1 簡單模型的建立

水錘的簡單模型建立是重要的一部分，水錘的計算主要用的是特征線法，計算機(jī)的快速發(fā)展在社會生產(chǎn)中有很大的影響力，并且計算機(jī)性能的提高，為各種工作的進(jìn)行提供了很多的有利條件。特征線法是計算機(jī)在輸水建設(shè)工程中的有效應(yīng)用，提高了水錘建設(shè)的精確度，并且也相應(yīng)的提高了計算效率。在對水錘進(jìn)行計算的過程中，將水擊基本方程式轉(zhuǎn)化為了便于計算機(jī)運(yùn)算的有限差分方程，對于具體的管路系統(tǒng)，只需要對相應(yīng)的邊界條件和參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行改變，就可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行所需模型的計算。

為了分析調(diào)壓塔對管線中水擊壓強(qiáng)的消減作用，簡單的水力系統(tǒng)由管線、上游端水庫、調(diào)壓塔、產(chǎn)生水擊激勵的閥門四個部分組成，由這幾個部分構(gòu)成一個簡單的動態(tài)運(yùn)作的模型，從而用該模型來探究調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)消減作用。在這個研究過程中，可以得出的是不同的閥門其過流曲線是不同的，同時所得到的水擊波的變化規(guī)律也不相同。

3.2 調(diào)壓塔對水擊波壓力影響分析

主要通過在有無調(diào)壓塔的情況下，通過對管路的水利特性的分析，從而分析調(diào)壓塔對水擊的消減作用。

當(dāng)沒有調(diào)壓塔時，通過對壓強(qiáng)變化的分析，可以發(fā)現(xiàn)離閥門端越近，其壓強(qiáng)是越大的。主要原因是因為，在離水庫越近的地方，其所要阻擋的水體是比較少的。在實(shí)際的過程中，主要是間接水擊在發(fā)揮作用，在離水庫較近的地方，前面產(chǎn)生的波還未到達(dá)前端時，后面產(chǎn)生的波就會與前面產(chǎn)生的負(fù)壓波的作用相互抵消，所以靠近閥門的節(jié)點(diǎn)處的管道受到的水擊壓力是比較大的。

當(dāng)在輸水過程中，有調(diào)壓塔時，設(shè)置在中間位置的調(diào)壓塔就會起到穩(wěn)壓面的作用，在水擊波的傳播過程中，會受到調(diào)壓塔的消減作用，與在水庫時的傳播效果是一樣的，而且在調(diào)壓塔的設(shè)置中，管線的長度作了重新的調(diào)整，相較于之前長度減少了一半，在負(fù)壓波到達(dá)閥門端時，由于正負(fù)疊加水擊壓強(qiáng)作用被消減。

3.3 改變調(diào)壓塔的位置所帶來的影響

調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)是有著消減作用的，在水擊的產(chǎn)生與傳播過程中，不僅要考慮流速的變化與閥門關(guān)閉速度的問題，還需要注意調(diào)壓塔的位置對水擊壓強(qiáng)消減作用的影響。

在研究過程中主要改變的是調(diào)壓塔與閥門的距離，從而通過對比分析來得出調(diào)壓塔位置對水擊壓強(qiáng)消減作用的影響。通過分析可以得出的是，當(dāng)調(diào)壓塔越靠近閥門處時，末端閥門處的管段的最大壓力越小，并且此時所產(chǎn)生的震蕩的幅度也越小。同時還可以發(fā)現(xiàn)水擊波影響的管線的長度對水擊波也有很大的影響，水擊波影響的管線的長度越小，對水擊的消減效果越好。通過結(jié)論可以得出，為了更好的消減水擊波的危害，取得更好的輸水效果，可以將調(diào)壓塔設(shè)置在靠近下游水擊波產(chǎn)生的末端處。

4 影響水擊的管網(wǎng)參數(shù)初窺

4.1 管道的長度對水擊壓強(qiáng)調(diào)節(jié)的影響

管道的長度主要對管道中的水擊波來回的整體時間有很大的影響，從而也對水擊波的周期有一定的變化。隨著管線長度的增加，管道最大水擊壓力的值是下降的。對于水擊波的周期來說的，管道的長度越長，水擊波的周期也相應(yīng)變長，而且與此同時關(guān)閥的時間是在減少的，這樣就使得間接水擊向直接水擊靠近。在長輸管線中，可以通過慢關(guān)閥門來更好的減小水擊壓力。

4.2 管道管徑對水擊壓強(qiáng)調(diào)節(jié)的影響

管道管徑在流量不變的情況下，主要是對管道中水體的流速會產(chǎn)生影響，通常情況下，管徑越大，水體的流速越小。管道管徑對水擊壓強(qiáng)調(diào)節(jié)的影響，對減少關(guān)閥引起的水擊壓力也有較為明顯的作用。

4.3 水庫水位高度與水擊壓強(qiáng)的作用

水庫的水位高度表示的是管網(wǎng)中的高程差，對于整個輸水系統(tǒng)都有較為重要的影響。當(dāng)水庫水位變高時，管道中的壓力也會隨之升高，同時壓強(qiáng)的波動幅度也會升高。水庫水位高度的細(xì)微變化，都會對整個輸水系統(tǒng)的管道中的壓強(qiáng)有很大的影響，所以，在調(diào)壓塔設(shè)置中，一定要注意水庫水位高度的合理性。

4.4 調(diào)壓塔截面積對水擊壓強(qiáng)的影響

調(diào)壓塔截面積主要是對水擊壓強(qiáng)穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響。如果調(diào)壓塔的截面積比較大，那么在水擊波來回震蕩的過程中，所產(chǎn)生的水面起伏也是比較小的，這樣壓強(qiáng)是較為穩(wěn)定。所以，當(dāng)調(diào)壓塔的截面積比較大時，對于長輸管線水擊壓強(qiáng)消減效果是不理想的。所以，在調(diào)壓塔截面積對于水擊壓強(qiáng)的影響方面，要注意適當(dāng)減小調(diào)壓塔的截面積，使得幾何尺度與管道截面積相當(dāng)，充分發(fā)揮調(diào)壓塔對長輸管線水擊壓強(qiáng)的消減作用，保證輸水工程的正常進(jìn)行，滿足社會發(fā)展的需要。

5 總結(jié)

隨著社會的發(fā)展，當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)就是滿足社會對于水的需求量，在這個過程中，需要解決的重點(diǎn)就是在輸水過程中所造成的水擊事故與水擊壓強(qiáng)。水擊壓強(qiáng)是受很多因素影響的，文章作了重點(diǎn)的分析，可是在對長輸管線水擊壓強(qiáng)消減過程中，調(diào)壓塔發(fā)揮著重要的作用。在實(shí)際調(diào)壓塔的設(shè)置過程中，一定要注意調(diào)壓塔位置的合理性，盡量減小調(diào)壓塔對水擊壓強(qiáng)的影響。在這個過程中，也要重點(diǎn)注意管道長度對水擊壓強(qiáng)的影響，最大程度的避免水擊事故的發(fā)生，提高輸水工作的安全性與可靠性。

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