在长距离高扬程输水管道工程中喷嘴式止回阀水锤防护效果研究

陈立志+张庆坤+王一乔+苏泉+刁美玲

摘 要：在众多水锤防护设备中，设置空气阀、单向调压塔、气压罐、超压泄压阀以及水泵出口止回阀等设备，是长距离输水管道水泵机组正常停机与事故停机水锤冲击的有效防护措施，其中止回阀作为一种基础防护措施，在长距离输水管线水锤防护中得到了广泛应用，本文重点针对喷嘴式止回阀的实际工程中的应用效果进行分析。

关键词：长距离输水 水锤防护 止回阀

1.水锤防护设备介绍

1.1止回阀

根据关阀时间及程序是否可控分为可控式止回阀和不可控式止回阀。

1.1.1可控式止回阀

即可分阶段控制时间关闭的阀门，如两阶段缓闭止回阀，其作用是当停电或水泵电源跳闸时，采用分阶段按程序关闭阀门。关阀分为两个阶段，各段缓冲时间可调节。第一阶段可在4～60s内调节，第二阶段可在10～300s内调节。

为迅速减少回水流量，阀门在关闭的前70度左右快速闭合，而剩余行程20度左右则为慢关，形成截流效应以降低动态水压至较低水平。通过设置两阶段关阀，能消除启、停泵水锤，保护泵房及设备安全。阀门两阶段关闭时间，可根据输水管路具体特性经过计算具体确定。

1.1.2不可控式止回阀

传统水力式止回阀。如喷嘴式、拍门式止回阀。其中喷嘴式主要应用于石油、天然输送管系统中，具有便于安装、阀瓣重量轻、行程较短、启闭迅速；关闭时无冲击、无噪声；弹簧不与介质直接接触，使用寿命较长等特点。

1.2空气阀

空气阀担负着管线的排气和负压控制任务。在某些运行工况，如管道充水、事故检修放空、阀门的正常及非正常启闭、泵的正常及事故启停机等，通过在管线中合理的布置空气阀，既可以排出管道中的有害气团，减小管道阻力，避免管内骤然升压，又能在管线出现负压时及时补气，消除液柱分离现象，避免水锤事故。

空气阀的分类有复合式、三级缓排式空气阀。其中三级缓排式空气阀可消除水锤等特殊工况下因全速排气而加剧的压力波动对系统的冲击，在实际工程中多采用这两类空气阀配合使用。

1.3超压泄压阀

超压泄压阀也称持压泄压阀（简称泄压阀），泄压保护装置工作主要依赖于对泄压阀滑塞内腔压力控制，正常输送时，滑塞在内腔设定压力作用下将滑塞紧紧的与主阀座贴合，使泄压阀处于正常关闭状态，当管线发生水击，异常升压，超过其滑塞内腔所设定的安全控制压力时，在压差作用下滑塞打开，通过滑塞外腔开始泄压并报警，当管线压力恢复正常工作压力时，滑塞与阀座紧紧贴合，恢复关闭状态，停止泄放，管线恢复正常输送。

超压泄压阀可现场调节动作值，以满足工况需要，同时快开慢关的特性，以满足较快的泄压消除水锤，同时在关闭过程中不至于产生二次水锤，防止管中高压或突压毁坏管线和设备。

1.4抗水锤气压罐

抗水锤气压罐用于消减停泵水锤时连接在水泵出水止回阀后的压力供水管道上，它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管线中压力变化，气压罐向管道补水或吸收管道中过高压力，抗水锤原理上与双向调压塔类似。

尽管抗水锤气压罐在国内的设计和使用经验不多，但它经过国外大量的工程设计实践和多年的运行管理经验，已经成为一种技术成熟的抗水锤装置。它具有抗水锤性能全面、应用灵活、安全可靠、运行维护方面等优点。

2.工程案例分析

2.1项目概况

HLJ工程采用单线布置形式，全长112 km，前69km为泵送流，本文仅针对泵送流段输水管线进行水锤防护效果分析。泵站从首段前池抽水送至桩号69+280处蓄水池。泵站内设3台双进口单吸双级水平中开泵，2用1备。单泵流量0.58m3/s，设计扬程315m，水泵效率85%，电机效率96%，水泵转动惯量10.2 kg/m2，电动机转动惯量112 kg/m2。首段水池水位661m，69+280处蓄水池水位936m。输水管道管径主要为DN1200，部分管径为DN1800，管材为涂塑钢管。该段管线运行压力如图，本工程地形起伏不大，属于典型高扬程长距离泵送流系统，主要防护重点是停泵时水泵出口高压、负压及管线末端负压问题。

2.2水锤防护方案分析

根据本工程特点，现针对以下三种水锤防护方案进行对比分析。

2.2.1方案一（6处空气阀+喷嘴式止回阀+超压泄压阀）

水泵出口安装喷嘴式止回阀，快速关闭时间为0.15～0.3s，水泵出口超压泄压阀动作值3.8MPa；在桩号63+560、65+070、68+364、67+760、66+770、66+082处设置空气阀，水泵出口止回阀在停泵后0.6s（0.74s开始倒流）开始快速关闭，用时0.15～0.3s，水泵出口超压泄压阀动作值3.8MPa时，水锤防护结果如图1-2。

由上图分析可知：该段管线负压主要存在于管线末端7km左右，在该处合理布置空气阀后，结合水泵出口止回阀快速关闭时间的设定，可以有效缓解末端负压问题。该防护方案下的计算结果为最大水锤压力361.7m，桩号3+512处；最小水锤压力-9.3m，桩号68+942处。计算结果满足水锤防护要求。

2.2.2方案二（74处空气阀+喷嘴式止回阀+超压泄压阀）

全线正常设置空气阀74处，水泵出口止回阀在停泵后0.6s（0.74s开始倒流）开始快速关闭，用时0.15～0.3s，水泵出口超压泄压阀动作值3.8MPa，水锤防护如图1-3。

分析可知：当全线正常设置空气阀时，末端约6km管线出现负压，最小压力为-15.3m，该段管线由于有空气阀进排气作用，水柱拉断后所产生的断流弥合水锤不严重，最大压力为88m。全线最大压力为379.5m。计算结果不满足水锤防护要求。endprint

2.2.3方案三（气压罐+喷嘴式止回阀+超压泄压阀+74处空气阀）

本工程水泵机组转动惯量小，经模拟，事故停泵时水倒流至水泵时间较短，约为0.7s左右，如图1-4。由于两阶段缓闭止回阀第一段关阀时间需4s以上，大于倒流时间，故建议水泵出口设置喷嘴式止回阀。并设1个8m3气压罐、超压泄压阀（泄压值设为3.8MPa）、沿线尖点及适当距离设置空气阀进行水锤安全防护。具体防护效果图1-5。

分析可知：最大水锤压力360m，桩号3+512处；最小水锤压力-9 m，桩号68+942处。计算结果满足水锤防护要求。

2.3方案对比

方案一采用的喷嘴式止回阀、6个空气阀、超压泄压阀，负压值为-9.3m，但在《城镇供水长距离输水管（渠）工程技术规程》中规定，长距离输水管线应在0.5～1km左右设置空气阀，此方案空气阀个数未满足规范。

方案二在方案一的基础上增设空气阀，虽然缓解了水柱拉断后产生的断流弥合水锤，但管线出现负压，最小压力为-15.3m，不满足要求。

方案三在方案二基础上增设气压罐，模拟结果的最小压力值为-9m。

综上所述：从定量角度分析，方案一和方案三均满足水锤防护要求；从定量角度综合分析，方案一和方案二中防护设备单一，安全性低。而方案三中，一旦其中一个防护设备拒动，余下防护设备还可缓解一定水锤危害，安全性能高，且空气阀数量满足规范要求。因此，从定量、定性综合分析，建议本工程采取方案三。

3.结论

喷嘴式止回阀在输水管道工程中，对于空气阀匹配数量的敏感度较高，有局限性。若仅进行数值模拟，水锤防护结果满足要求，但空气阀个数可能存在不符合规范要求的情况；而空气阀在长距离输水工程中不仅承担着负压控制任务，还要承担首次通水、日常排气的任务，因此，在采用喷嘴式止回阀时，需在空气阀数量满足要求的基础上，进行多种工况模拟、分析。

水锤防护是一项系统工作，在实际工程中必须依靠各种水锤防护设备互相协调、互相配合才能有效地对水锤进行防护。若仅采取单一防护设备，在水锤防护过程中，一个防护设备拒动，则整套防护系统无效。

参考文献：

金锥，姜乃昌等.停泵水锤及其防护.第二版，北京：中国建筑工业出版社，2004.276～280.endprint