大落差长距离重力流输水管线系统防护和控制

（甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

一、重力流输水工程的现状和问题

（一）主观轻视

相对于水泵长输供水，重力流供水相对传统，小规模工程较为普遍，主观上似有简易的错觉。因此在初期的工程当中，明显地感觉到“功课不足”。主要表现为：实际流速过快（2.5m/s～3m/s），平时流量波动较大，可能出现离奇突发的爆管事件。

（二）经验不足

由于时间、投资与地形的限制，在设计当中设计人员往往并不熟练掌握重力流水力计算（水头为主导因素，决定阻力与流量）在下坡段局部突起部分，可能会出现半管流、虹吸等不利工况，而在设计阶段并未被发现，使得实际运行过程当中出现流量变化的随机性。

（三）控制不当

过分注重关阀水锤的水力计算而疏于对水锤发生原理的本质理解，造成教条性的操作失误，引发水力激荡，甚至管线的破坏。

（四）不加控制

对长距离输水管线无控制地变流量输水，使得管道长期处于压力陡变的随机状态。

二、重力流水锤分析

重力流的水锤则多为“关阀水锤”。该类水锤不会像水泵停泵水锤那样，有一个压力先下降的“预演”阶段，而是在阀门关闭的瞬间，水锤即刻到来。

调节阀的调节，在另一个角度讲，是调节阀的局部阻力与沿程总阻力的抗衡。只有在阀门的阻力足够与沿程阻力相当的时候，才可以进行调节工作。重力流的控制核心在于尽可能得到均匀递减的流量变化过程曲线。蓝色线的关闭过程好于红色线的关闭过程。

图1 阀门流量变化过程线

但是，现实当中，调节阀的开启度将非常的小。因此，对其关阀的控制效果不大。

因此对于重力流系统当中的水锤，需要注意的是：一是合理的设计思想，除了应用阀门的调节功能之外，在长途管线当中必须适当考虑管线阻力的自身“调节作用”，以分担调节阀门的重任；二是合理的运行思路，必须有针对性地建立良好的运行管理机制，防止错误操作以及随意的控制；三是现实的保护，除了习惯性的缓关阀门的方法，还需要仔细考虑阀门的特性、开启度以及实际的开关时间，从而做出科学的评估；四是建立监测与评估系统，用数据资料来调整系统的长期运行，而不是人为意志，靠可能不成熟的经验。

三、大落差长距离重力流输水管线水锤防护分析

（一）常规水锤防护设备

一般而言，凡是引起管路系统水流状态扰动的事件均可以导致水锤的发生。水锤通常起因于水泵的快速启动和开阀停车，阀门的快速开启和关闭，系统边界条件的快速变化（如水池水位的波动，水箱压力的变化等），用水需求的骤然变化（如消防用水），输水管线的故障（管道断裂或封冻），管道的充水和排空（主要与管内气体的排放相关）以及止回阀或调节阀的动作等。其中，停泵水锤、关阀水锤是最普遍，破坏性最强的一种水力瞬态事件。

为防止水锤事故的发生，通常采用的方法是利用水锤防护设备延迟并减缓水力瞬变的发生过程，管道水流降压或者发生负压时向管内注气或注水，而升压时向管道外部排气或排水。诸如这般的水锤防护设备主要有水锤预作用阀、空气阀、单向调压塔、双向调压塔等。

（二） W型系统调节阀防护

重力流输水管线上，阀前管线越长，其关闭过程所产生的水锤就越大，水锤影响面也就越大。这是因为，阀门在调节过程当中其调节的核心是“阻力的体现”，只有在阀门的阻力可以与其前管线沿程阻力抗衡的情况下，真正的调节效果才会体现。所以，阀前的管线越长，阀门可调节的空间（开启度）也就越小，而所表现出来的实质流量变化过程也就越显突然，水锤也就越大。

此时，最为理想的调节方式是在系统的头部。但是由于系统前后存在液位差，在小流量时，头部调节方式会使系统局段可能出现无压流工况，导致供水紊乱。尤其在关停系统时，头部阀门至与末端水池相平的位高点这一段管段出现空管工况。因此头部调节客观上存在缺陷。

折衷的做法是在系统的前段合适位置设置调节基站，对系统主流量进行调控，并负责系统的开关。前部控制的优点在于：阀门调节或开关时水锤较小；水锤影响管线较短；阀门调节过程较长，可控性好。因此，建议该系统在流量的控制方面，多依赖主管前部的调压基站实现。即末端关阀时，应先关闭主管上的调压基站阀；流量发生变化时，应调节主管上的调压基站；尽量减少末端阀门的调节与开关，由调压基站代为完成。

同时，在这个项目当中，调节基站的还有一个尤为重要的作用就是“爆管关闭”功能，该基站应具备自动检测过站流量的功能，当系统流量突然增大时，基站主动关闭，避免产生更大的损失。

四、算例分析

（一）工程概况

某引水工程从沉沙池后压进水池取水，管线起点工程1 564.2m，末端高程1 452.5m，设计引水流量1.12m3/s，引水管道为单管布置，管径1.2m，末端接调蓄水库，沿线除布置有2.46km的引水无压隧洞外其余均为预应力钢筒砼管（PCCP管）或钢管。引水系统相对高差111.7m，貌似落差不少特别大，但由于系统为长距离W型重力流输水，最高点和最低点落差最大约320m，且有65km的管线净落差在240～320m之间，而且管线大部分沿村庄、城镇布置，在如此长距离输配水管线当中，系统安全的最大保障是系统的合理运行的控制，其次才是水锤等瞬变流的防护。好的控制方案，会让系统在大多数工况下安全合理运行。

为保证系统稳定运行，在管路上除了布置有超压泄压阀、复合式进排气阀、泄水阀、防水锤型空气阀、水锤预作用阀、缓冲罐、止回阀等综合保护装置外，特别在桩号35+370处设置中间调压基站。

（二）调压基站设计方案

调压基站：设置一台DN900流量调节阀与一台DN400流量调节阀的并联。阀前应设置管道过滤器，保护调压基站。系统在设计流量工况下运行时，DN900的调节阀投入工作，此时阀后压力较高。而系统存在小流量时，DN400的调节阀投入工作，此时阀后压力较低；两台阀门可根据流量、压力、阀位指示等自动切换。

基站调节阀要求：高压阀：DN900调节阀+DN400调节阀，无外电供给水动及电动或电引导驱动可选。

基站防护：调节阀组前设置20m3缓冲罐，罐直径1.9m，长7.74m，卧式安装，罐底与主管线管中心线距离不小于2.5m，罐内充气，气体体积不小于10m3，其中罐上设置1台DN50单向进气阀，并1台DN300联动式水锤预作用阀，联动式水锤预作用阀功能为：水力自驱式功能，可以感应阀前压力并自行快速打开阀门、压力传感器连锁驱动，压力窜高时，迅速电驱打开、与调流阀连动，当调流阀完全关闭时，电驱联动，阀门主动开启、开启报警。

（三）计算和分析

1.关阀过度过程。无调压基站末端关阀见图2，末端阀门关闭时间为60s；有调压基站末端关阀见图3，调压基站和末端阀门关闭时间为60s。

图2 无调压基站末端关阀压力包络线图

图3 有调压基站和末端关阀压力包络线图

在末端阀与中间调节阀关阀的瞬变流计算比较中发现：末端阀的关闭，将会使管线的全部覆盖在高压波动的范围内，即全程管线会出现高压升高的情况；中间调节阀关闭，则仅在该调节基站之前出现明显的高压，而其后段则压力升高有限，更长距离的管线的压力波动趋缓。

2.开阀过度过程。无调压基站末端开阀见图4，末端阀门开启时间为60s；

图4 无调压基站末端开阀压力包络线图

有调压基站末端关阀见图5，阀门开启时间为60s。

图5 有调压基站和末端开阀压力包络线图

在末端阀与中间调节阀开阀的瞬变流计算比较中，发现中间开阀过程亦不会出现过强的压力波动。水锤的防护内容主要针对阀门的关闭过程。

四、提前调节的优势

提前调节可以有效地将调节基站之后段的管线运行压力降低，使系统在较低的压力下工作；

提前调节（压力：米水头）35+370（调压基站） 159.69 100 73+839（最低点） 284.4 232.03 75+020（中间突起点） 165.41 113.2末端阀 50 0～5节点号 末端调节（压力：米水头）

提前调节也可以使瞬变流水锤工况下，大部分管线不被升压所影响；

（无保护最高压力：米水头）26+168（主管高点） 191.31 212.02节点号末端关阀 提前调压基站关阀（无保护最高压力：米水头）73+839（最低点） 422.64 305.97 75+020（中间突起点） 304.82 188.02

五、大落差长距离重力流输水管线系统控制

首先，对于长输管线，控制是必须的。当然水系统的控制亦无非两项：流量和压力。重力流的控制，因为目前的普遍不重视，则需要再次强调。其内容主要如下：限流，从而限制流量的大范围变化，让系统在合理的流量范围下波动；调节，对压力进行调节，力争避免出现某些工况下长期高压运行的工况；精确地实施跟踪流量的压力调节，在面对市政管网的供水，如变频水泵一样，随着不同的流量消耗而给出合适的供水压力。

其次，在以上数种的调节功能之外，还必须具备关断、隔离以及保护功能：防水锤关闭功能，在阀门调节或者关闭时，不允许速度过快，产生阀前的压力升高，阀门自诊断阀前的压力变化，自动调节阀门的关闭速度；紧急隔断功能，即在管线出现事故状况时，允许现场或远程控制快速关闭，将系统分隔，减少损失，保护管线其它部分；自动的过流保护，当阀门之后系统出现流量突然增加的情况时，阀门自动关闭，并报警。在控制节点处，应有密切的监测系统。对每次的调节都在监视下进行，不盲目。

六、结语

因此为了保证长距离输水系统工程的运行安全，防止系统中发生瞬变流现象而导致水锤事故，选择安全可靠、经济合理的水锤防护措施变得尤为重要，在水锤防护计算过程中结合各类不同的边界条件建立水锤计算的数学基本模型分析，对大落差多起伏长距离重力流输水管线的水锤防护提供了重要的数据支持，并根据工程的实际特点，选择合理、有效、经济的水锤防护措施。对于大落差多起伏长距离重力流输水工程而言，综合采用多种水锤防护措施往往比单独采用一种措施具有更大的优势，应根据具体情况选择既可以很好地预防水锤发生又经济合理的最佳方案，更好更稳定地保证管道系统安全运行。