大落差長距離重力流輸水管線系統(tǒng)防護(hù)和控制

（甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

一、重力流輸水工程的現(xiàn)狀和問題

（一）主觀輕視

相對(duì)于水泵長輸供水，重力流供水相對(duì)傳統(tǒng)，小規(guī)模工程較為普遍，主觀上似有簡易的錯(cuò)覺。因此在初期的工程當(dāng)中，明顯地感覺到“功課不足”。主要表現(xiàn)為：實(shí)際流速過快（2.5m/s～3m/s），平時(shí)流量波動(dòng)較大，可能出現(xiàn)離奇突發(fā)的爆管事件。

（二）經(jīng)驗(yàn)不足

由于時(shí)間、投資與地形的限制，在設(shè)計(jì)當(dāng)中設(shè)計(jì)人員往往并不熟練掌握重力流水力計(jì)算（水頭為主導(dǎo)因素，決定阻力與流量）在下坡段局部突起部分，可能會(huì)出現(xiàn)半管流、虹吸等不利工況，而在設(shè)計(jì)階段并未被發(fā)現(xiàn)，使得實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中出現(xiàn)流量變化的隨機(jī)性。

（三）控制不當(dāng)

過分注重關(guān)閥水錘的水力計(jì)算而疏于對(duì)水錘發(fā)生原理的本質(zhì)理解，造成教條性的操作失誤，引發(fā)水力激蕩，甚至管線的破壞。

（四）不加控制

對(duì)長距離輸水管線無控制地變流量輸水，使得管道長期處于壓力陡變的隨機(jī)狀態(tài)。

二、重力流水錘分析

重力流的水錘則多為“關(guān)閥水錘”。該類水錘不會(huì)像水泵停泵水錘那樣，有一個(gè)壓力先下降的“預(yù)演”階段，而是在閥門關(guān)閉的瞬間，水錘即刻到來。

調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，在另一個(gè)角度講，是調(diào)節(jié)閥的局部阻力與沿程總阻力的抗衡。只有在閥門的阻力足夠與沿程阻力相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，才可以進(jìn)行調(diào)節(jié)工作。重力流的控制核心在于盡可能得到均勻遞減的流量變化過程曲線。藍(lán)色線的關(guān)閉過程好于紅色線的關(guān)閉過程。

圖1 閥門流量變化過程線

但是，現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，調(diào)節(jié)閥的開啟度將非常的小。因此，對(duì)其關(guān)閥的控制效果不大。

因此對(duì)于重力流系統(tǒng)當(dāng)中的水錘，需要注意的是：一是合理的設(shè)計(jì)思想，除了應(yīng)用閥門的調(diào)節(jié)功能之外，在長途管線當(dāng)中必須適當(dāng)考慮管線阻力的自身“調(diào)節(jié)作用”，以分擔(dān)調(diào)節(jié)閥門的重任；二是合理的運(yùn)行思路，必須有針對(duì)性地建立良好的運(yùn)行管理機(jī)制，防止錯(cuò)誤操作以及隨意的控制；三是現(xiàn)實(shí)的保護(hù)，除了習(xí)慣性的緩關(guān)閥門的方法，還需要仔細(xì)考慮閥門的特性、開啟度以及實(shí)際的開關(guān)時(shí)間，從而做出科學(xué)的評(píng)估；四是建立監(jiān)測與評(píng)估系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)資料來調(diào)整系統(tǒng)的長期運(yùn)行，而不是人為意志，靠可能不成熟的經(jīng)驗(yàn)。

三、大落差長距離重力流輸水管線水錘防護(hù)分析

（一）常規(guī)水錘防護(hù)設(shè)備

一般而言，凡是引起管路系統(tǒng)水流狀態(tài)擾動(dòng)的事件均可以導(dǎo)致水錘的發(fā)生。水錘通常起因于水泵的快速啟動(dòng)和開閥停車，閥門的快速開啟和關(guān)閉，系統(tǒng)邊界條件的快速變化（如水池水位的波動(dòng)，水箱壓力的變化等），用水需求的驟然變化（如消防用水），輸水管線的故障（管道斷裂或封凍），管道的充水和排空（主要與管內(nèi)氣體的排放相關(guān)）以及止回閥或調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作等。其中，停泵水錘、關(guān)閥水錘是最普遍，破壞性最強(qiáng)的一種水力瞬態(tài)事件。

為防止水錘事故的發(fā)生，通常采用的方法是利用水錘防護(hù)設(shè)備延遲并減緩水力瞬變的發(fā)生過程，管道水流降壓或者發(fā)生負(fù)壓時(shí)向管內(nèi)注氣或注水，而升壓時(shí)向管道外部排氣或排水。諸如這般的水錘防護(hù)設(shè)備主要有水錘預(yù)作用閥、空氣閥、單向調(diào)壓塔、雙向調(diào)壓塔等。

（二） W型系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥防護(hù)

重力流輸水管線上，閥前管線越長，其關(guān)閉過程所產(chǎn)生的水錘就越大，水錘影響面也就越大。這是因?yàn)椋y門在調(diào)節(jié)過程當(dāng)中其調(diào)節(jié)的核心是“阻力的體現(xiàn)”，只有在閥門的阻力可以與其前管線沿程阻力抗衡的情況下，真正的調(diào)節(jié)效果才會(huì)體現(xiàn)。所以，閥前的管線越長，閥門可調(diào)節(jié)的空間（開啟度）也就越小，而所表現(xiàn)出來的實(shí)質(zhì)流量變化過程也就越顯突然，水錘也就越大。

此時(shí)，最為理想的調(diào)節(jié)方式是在系統(tǒng)的頭部。但是由于系統(tǒng)前后存在液位差，在小流量時(shí)，頭部調(diào)節(jié)方式會(huì)使系統(tǒng)局段可能出現(xiàn)無壓流工況，導(dǎo)致供水紊亂。尤其在關(guān)停系統(tǒng)時(shí)，頭部閥門至與末端水池相平的位高點(diǎn)這一段管段出現(xiàn)空管工況。因此頭部調(diào)節(jié)客觀上存在缺陷。

折衷的做法是在系統(tǒng)的前段合適位置設(shè)置調(diào)節(jié)基站，對(duì)系統(tǒng)主流量進(jìn)行調(diào)控，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開關(guān)。前部控制的優(yōu)點(diǎn)在于：閥門調(diào)節(jié)或開關(guān)時(shí)水錘較?。凰N影響管線較短；閥門調(diào)節(jié)過程較長，可控性好。因此，建議該系統(tǒng)在流量的控制方面，多依賴主管前部的調(diào)壓基站實(shí)現(xiàn)。即末端關(guān)閥時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉主管上的調(diào)壓基站閥；流量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)主管上的調(diào)壓基站；盡量減少末端閥門的調(diào)節(jié)與開關(guān)，由調(diào)壓基站代為完成。

同時(shí)，在這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中，調(diào)節(jié)基站的還有一個(gè)尤為重要的作用就是“爆管關(guān)閉”功能，該基站應(yīng)具備自動(dòng)檢測過站流量的功能，當(dāng)系統(tǒng)流量突然增大時(shí)，基站主動(dòng)關(guān)閉，避免產(chǎn)生更大的損失。

四、算例分析

（一）工程概況

某引水工程從沉沙池后壓進(jìn)水池取水，管線起點(diǎn)工程1 564.2m，末端高程1 452.5m，設(shè)計(jì)引水流量1.12m3/s，引水管道為單管布置，管徑1.2m，末端接調(diào)蓄水庫，沿線除布置有2.46km的引水無壓隧洞外其余均為預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP管）或鋼管。引水系統(tǒng)相對(duì)高差111.7m，貌似落差不少特別大，但由于系統(tǒng)為長距離W型重力流輸水，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)落差最大約320m，且有65km的管線凈落差在240～320m之間，而且管線大部分沿村莊、城鎮(zhèn)布置，在如此長距離輸配水管線當(dāng)中，系統(tǒng)安全的最大保障是系統(tǒng)的合理運(yùn)行的控制，其次才是水錘等瞬變流的防護(hù)。好的控制方案，會(huì)讓系統(tǒng)在大多數(shù)工況下安全合理運(yùn)行。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在管路上除了布置有超壓泄壓閥、復(fù)合式進(jìn)排氣閥、泄水閥、防水錘型空氣閥、水錘預(yù)作用閥、緩沖罐、止回閥等綜合保護(hù)裝置外，特別在樁號(hào)35+370處設(shè)置中間調(diào)壓基站。

（二）調(diào)壓基站設(shè)計(jì)方案

調(diào)壓基站：設(shè)置一臺(tái)DN900流量調(diào)節(jié)閥與一臺(tái)DN400流量調(diào)節(jié)閥的并聯(lián)。閥前應(yīng)設(shè)置管道過濾器，保護(hù)調(diào)壓基站。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流量工況下運(yùn)行時(shí)，DN900的調(diào)節(jié)閥投入工作，此時(shí)閥后壓力較高。而系統(tǒng)存在小流量時(shí)，DN400的調(diào)節(jié)閥投入工作，此時(shí)閥后壓力較低；兩臺(tái)閥門可根據(jù)流量、壓力、閥位指示等自動(dòng)切換。

基站調(diào)節(jié)閥要求：高壓閥：DN900調(diào)節(jié)閥+DN400調(diào)節(jié)閥，無外電供給水動(dòng)及電動(dòng)或電引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)可選。

基站防護(hù)：調(diào)節(jié)閥組前設(shè)置20m3緩沖罐，罐直徑1.9m，長7.74m，臥式安裝，罐底與主管線管中心線距離不小于2.5m，罐內(nèi)充氣，氣體體積不小于10m3，其中罐上設(shè)置1臺(tái)DN50單向進(jìn)氣閥，并1臺(tái)DN300聯(lián)動(dòng)式水錘預(yù)作用閥，聯(lián)動(dòng)式水錘預(yù)作用閥功能為：水力自驅(qū)式功能，可以感應(yīng)閥前壓力并自行快速打開閥門、壓力傳感器連鎖驅(qū)動(dòng)，壓力竄高時(shí)，迅速電驅(qū)打開、與調(diào)流閥連動(dòng)，當(dāng)調(diào)流閥完全關(guān)閉時(shí)，電驅(qū)聯(lián)動(dòng)，閥門主動(dòng)開啟、開啟報(bào)警。

（三）計(jì)算和分析

1.關(guān)閥過度過程。無調(diào)壓基站末端關(guān)閥見圖2，末端閥門關(guān)閉時(shí)間為60s；有調(diào)壓基站末端關(guān)閥見圖3，調(diào)壓基站和末端閥門關(guān)閉時(shí)間為60s。

圖2 無調(diào)壓基站末端關(guān)閥壓力包絡(luò)線圖

圖3 有調(diào)壓基站和末端關(guān)閥壓力包絡(luò)線圖

在末端閥與中間調(diào)節(jié)閥關(guān)閥的瞬變流計(jì)算比較中發(fā)現(xiàn)：末端閥的關(guān)閉，將會(huì)使管線的全部覆蓋在高壓波動(dòng)的范圍內(nèi)，即全程管線會(huì)出現(xiàn)高壓升高的情況；中間調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，則僅在該調(diào)節(jié)基站之前出現(xiàn)明顯的高壓，而其后段則壓力升高有限，更長距離的管線的壓力波動(dòng)趨緩。

2.開閥過度過程。無調(diào)壓基站末端開閥見圖4，末端閥門開啟時(shí)間為60s；

圖4 無調(diào)壓基站末端開閥壓力包絡(luò)線圖

有調(diào)壓基站末端關(guān)閥見圖5，閥門開啟時(shí)間為60s。

圖5 有調(diào)壓基站和末端開閥壓力包絡(luò)線圖

在末端閥與中間調(diào)節(jié)閥開閥的瞬變流計(jì)算比較中，發(fā)現(xiàn)中間開閥過程亦不會(huì)出現(xiàn)過強(qiáng)的壓力波動(dòng)。水錘的防護(hù)內(nèi)容主要針對(duì)閥門的關(guān)閉過程。

四、提前調(diào)節(jié)的優(yōu)勢

提前調(diào)節(jié)可以有效地將調(diào)節(jié)基站之后段的管線運(yùn)行壓力降低，使系統(tǒng)在較低的壓力下工作；

提前調(diào)節(jié)（壓力：米水頭）35+370（調(diào)壓基站） 159.69 100 73+839（最低點(diǎn)） 284.4 232.03 75+020（中間突起點(diǎn)） 165.41 113.2末端閥 50 0～5節(jié)點(diǎn)號(hào) 末端調(diào)節(jié)（壓力：米水頭）

提前調(diào)節(jié)也可以使瞬變流水錘工況下，大部分管線不被升壓所影響；

（無保護(hù)最高壓力：米水頭）26+168（主管高點(diǎn)） 191.31 212.02節(jié)點(diǎn)號(hào)末端關(guān)閥 提前調(diào)壓基站關(guān)閥（無保護(hù)最高壓力：米水頭）73+839（最低點(diǎn)） 422.64 305.97 75+020（中間突起點(diǎn)） 304.82 188.02

五、大落差長距離重力流輸水管線系統(tǒng)控制

首先，對(duì)于長輸管線，控制是必須的。當(dāng)然水系統(tǒng)的控制亦無非兩項(xiàng)：流量和壓力。重力流的控制，因?yàn)槟壳暗钠毡椴恢匾暎瑒t需要再次強(qiáng)調(diào)。其內(nèi)容主要如下：限流，從而限制流量的大范圍變化，讓系統(tǒng)在合理的流量范圍下波動(dòng)；調(diào)節(jié)，對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，力爭避免出現(xiàn)某些工況下長期高壓運(yùn)行的工況；精確地實(shí)施跟蹤流量的壓力調(diào)節(jié)，在面對(duì)市政管網(wǎng)的供水，如變頻水泵一樣，隨著不同的流量消耗而給出合適的供水壓力。

其次，在以上數(shù)種的調(diào)節(jié)功能之外，還必須具備關(guān)斷、隔離以及保護(hù)功能：防水錘關(guān)閉功能，在閥門調(diào)節(jié)或者關(guān)閉時(shí)，不允許速度過快，產(chǎn)生閥前的壓力升高，閥門自診斷閥前的壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的關(guān)閉速度；緊急隔斷功能，即在管線出現(xiàn)事故狀況時(shí)，允許現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制快速關(guān)閉，將系統(tǒng)分隔，減少損失，保護(hù)管線其它部分；自動(dòng)的過流保護(hù)，當(dāng)閥門之后系統(tǒng)出現(xiàn)流量突然增加的情況時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉，并報(bào)警。在控制節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)有密切的監(jiān)測系統(tǒng)。對(duì)每次的調(diào)節(jié)都在監(jiān)視下進(jìn)行，不盲目。

六、結(jié)語

因此為了保證長距離輸水系統(tǒng)工程的運(yùn)行安全，防止系統(tǒng)中發(fā)生瞬變流現(xiàn)象而導(dǎo)致水錘事故，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的水錘防護(hù)措施變得尤為重要，在水錘防護(hù)計(jì)算過程中結(jié)合各類不同的邊界條件建立水錘計(jì)算的數(shù)學(xué)基本模型分析，對(duì)大落差多起伏長距離重力流輸水管線的水錘防護(hù)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，并根據(jù)工程的實(shí)際特點(diǎn)，選擇合理、有效、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施。對(duì)于大落差多起伏長距離重力流輸水工程而言，綜合采用多種水錘防護(hù)措施往往比單獨(dú)采用一種措施具有更大的優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇既可以很好地預(yù)防水錘發(fā)生又經(jīng)濟(jì)合理的最佳方案，更好更穩(wěn)定地保證管道系統(tǒng)安全運(yùn)行。