长距离输水管线负压控制规范要求及防护措施探讨

刘 政，桂 波，李晓一，李 进

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉430071；2.电力规划设计总院，北京100032）

近年来的长距离输水工程有向“高、大、长”发展的趋势， 即在高扬程、 大流量及长距离方面发展迅速，这主要是因为我国水资源分布严重不均，随着经济高速发展，城市生产生活用水问题更是日益突出。泵站及管线作为输水工程的主要组成部分， 其安全性、 可靠性已成为衡量大型工程运行管理的重要指标。由于管线地形起伏和局部高点的存在，在停泵过渡过程中管线局部会产生液体汽化或水柱分离，从而引起一系列急剧的压力交替升降， 对管线的正常运行造成危害［1］。 为了保护管线，就要采取必要的防护措施，把停泵过渡过程中的压力降控制在“允许最低压力值”范围内［2］。

1 允许最低压力值的讨论

所谓“允许最低压力值”，是指在已经设置有水锤防护装置的输水管线水力过渡过程中， 管线允许出现的最低压力数值。 在水锤防护措施选定时，“允许最低压力值” 的确定将直接影响到防护措施和设备的经济性、合理性及环保性。 比如，对于“补气稳压”的注气微排阀，如果“允许最低压力值”取值偏高，在水锤防护上虽然安全，但空气阀的安装数目及进排气口径等势必将增加， 这样就会造成防护成本的增加；如果“允许最低压力值”取值过低，虽然空气阀的安装数目会进一步减少， 但在水锤防护的安全性上却要打折扣： 或因真空过大使管道失稳被内外压差压瘪， 或因断裂水柱再弥合水锤压力过高使管路爆管［3］。 此外，出于对环保的考虑，一旦管线出现泄露：管线输送的流体将会混入地下水，对输送的流体来说是浪费，对地下水来说也有可能造成污染；亦或者地下水被吸入管线，对输送的流体造成污染。

由于各地区的海拔高度不同， 出现水柱分裂的负压值是不同的，在计算上应注意修正。 以海拔1000m为例，标准大气压为89.4kPa，20°C水的汽化压力为2.34kPa， 则水的相对汽化压力为87.06kPa（-8.8m）。 在工程计算中，一般采用-8m来表示水的汽化压力，以便更直观地说明问题。即当管道内的压力达到-8m时，水体发生汽化，可能发生水柱分裂。显然，管线的“允许最低压力值”不应低于-8m，而所谓的“允许最低压力值”是人为地在有关规范（程）中明确规定出来的。

我国现行的SL511—2011《水利水电工程机电设计技术规范》指出：“当泵站突然停机或开机时，压力输水系统全线各断面最高点处的最小压力不应低于0.02MPa，且不应出现负压脱流现象。 ”可以理解为：输水系统在任何工况下应保证+2m的最小压力。

CECS193—2005《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》 指出：“避免在局部凸起点管道内出现负压。当受地形条件限制时，应采取防止管道内出现水柱拉断的措施”，“停泵水锤防护包括：在突然停泵过程中输水管道出现负压的部分， 宜采取哪些消除负压措施及其效果计算”。 同样GB50013—2018《室外给水设计标准》规定：“在各种设计工况下运行时，管道不应出现负压。 ”

泵站过渡过程防护常用到的GB 50265—2010《泵站设计规范》明确指出：“当事故停泵瞬态特性参数不能满足输水系统任何部位不应出现水柱断裂的要求时，应采取防护措施”，对设置水锤防护措施后的“允许最低压力值”未做规定；但在规范附录的《条文说明》有如下说明：“为了减少输水系统工程费用，确保输水系统安全， 应采取措施限制输水系统负压值，当负压达到2m水柱时，宜装设真空破坏阀。 ”［4］可以理解为：当管线设置真空破坏阀等防护措施时，停泵过渡过程中的系统最小负压不应超过2m水柱。

日本农林水产省制定的《泵站设计规范》指出：“为了防止水锤对水泵设备等的危害，必须采取防止发生负压和抑制压力上升等的措施， 以确保其安全。”可以理解为：当水锤防护措施发生作用后，泵管系统在过渡过程中的最低压力应在当地大气压以上，即系统不能有负压产生。

前苏联在《水锤防护指示》中明确指出：“（单向调压塔） 主水管的直径以及塔中水位超过主管路的高度，经由下述计算来选配确定，即当水塔供出所需的足够流量时， 主管路中的最大负压不应超过-3～-5m水柱。”可以理解为：出于对调压塔防冻，以及节约成本方面的考虑，增大“允许最低压力值”来降低塔高， 故规定过渡过程中的最低压力值不应超过-3～-5m水柱。

在欧美的工程应用中， 没有明确的规范或标准规定输水管线系统是否允许负压或 “允许最低压力值”， 该压力完全取决于管道许用应力及设计强度。美国的《ASME B31.3—2012工艺管道规范》指出：“管道系统的每个组件的设计压力应不小于在操作中可能遇到的最大内压或外压与温度最低或最高的最严酷组合情况下的压力。 ”［5］也就是说管道的设计外压允许全真空，即输水系统允许出现汽化，管道能够承受-8m的最大负压。

通过对比各国对于泵管系统在过渡过程中 “允许最低压力值”的规定，可以看出不同国家针对不同国情， 其压力标准各不相同： 日本为了实现绝对安全，要求在过渡过程中不能产生负压；前苏联结合经济、管理及气候考虑，规定最大负压不能超过-3～-5m；欧美对“允许最低压力值”没有明确规定，按照管线设计强度管线可以出现-8m的负压。 结合中国设计院的实际工程经验，建议在大多数情况下：综合安全性和经济型考虑，在设置水锤防护措施后，系统在过渡过程中允许出现的最低压力为-5m。

2 水锤案例计算及防护

2.1 工程概况

某工程取水管线纵剖图如图1，管线总长207km，管道采用钢管的双管输水布置，单管直径为DN900，设计压力8.5MPa，设计单管流量为0.86m3/s，系统净扬程317m。 泵站采用3台Q=1700m3/h、2台Q=600m3/h的取水泵和8台Q=775m3/h的加压水泵 （每条管线4台）的组合，其中取水泵额定扬程为50m，加压水泵额定扬程为620m。为了满足系统稳态运行时，压力最低点压力不低于15.0m， 在管线末端设置了减压阀减压。取水泵和加压水泵出口均安装了止回阀，取水管线末端设置有调流阀。

图1 供水系统管线纵剖面图

2.2 无防护措施水锤计算

图2为泵站水泵突然断电或停泵，系统无防护措施时，整个输水管线的压力包络线。管路沿线多处负压达到8m， 且在管路局部凸高点和急剧上升段产生汽化。

图2 管线压力包络线

2.3 不同“允许最低压力值”防护措施比较

“允许最低压力值”的选定直接影响水锤防护措施的选取： 若在停泵过渡过程中允许系统出现一定程度的负压，则防护措施可选择注气微排阀等，即当管线出现负压时向系统内及时补入空气， 以防止负压进一步扩大；若规定在停泵过渡过程中，泵管系统不能出现负压，则防护措施应选择单（双）向调压塔及空气罐等， 该类设备可以在管线压力降到某一特定值（某一正压值）时提前向系统注水（补气），从而降低泵管系统中流速变化的梯度， 防止系统出现负压； 若进一步规定停泵过程中系统的最小压力不能小于2m水柱， 则需要增加调压塔的高度和数量。 此外，还可以通过阀门调节和控制，以及增大机组转动惯量的方法来对泵管系统过渡过程的水锤现象进行防护，本文着重对比不同“允许最低压力值”时单向调压塔和注气微排阀两种防护措施。

2.3.1 注气微排阀—关尾阀

2.3.1.1 允许最低压力值为-5m

通过在管线可能出现负压的位置增设注气微排阀， 缓解停泵后的系统负压。 在桩号82+559，86+543，87+575，87+968，93+514，94+209，95+303，106+550，106 +850，107 +147，107 +547，107 +810，108 +336，108 +599，108 +996，111 +813，112 +025，112 +344，127+133，127+450，127+766处装设21个注气微排阀，阀门进气口径200mm，排气口径5mm。 事故停机60s后，管线尾部调流阀开始关闭，经过120s线性完全关闭。

图3为事故停泵，取水系统的水力过渡过程计算结果：（a）管线压力包络线；（b）加压水泵流量和转速随时间的变化曲线； （c）加压水泵出口止回阀流量和压力随时间的变化曲线； （d）压力最低点随时间的变化曲线；（e）尾阀开度和其进口压力随时间的变化曲线。

图3 事故停泵的水力过渡过程（注气微排阀—关尾阀）

由图（b）、（c）可以看出，由于水泵出口的止回阀在停泵后1.5s关闭，加压水泵在停泵过渡过程中未出现倒流和倒转。 由图（a）、（c）知，管线的最大压力为732.21m，出现在加压水泵出口处。由图（a）、（d）知，管线最小压力为-3.25m，出现在桩号106+671处。 管线中的汽化现象已消除，负压状况得到很大改善。

2.3.1.2 允许最低压力值为-8m

若在泵管系统的过渡过程中允许最低压力达到-8m 以内， 则可适当减少注气微排阀的数目，只在管线的部分驼峰位置设置空气阀。 在桩号82+559，87+968，95+303，108+599，111+813，112+344，127+450 处 装 设7 个 注 气 微 排 阀， 进 气 口 径200mm，排气口径5mm。事故停机60s后，尾阀开始关闭，经过120s线性完全关闭。

图4为事故停泵，系统的压力包络线，其中管线的最大压力为732.83m，出现在加压水泵出口处。 管线最小压力为-8m，在桩号106+850附近。

图4 管线压力包络线

2.3.2 单向调压塔—关尾阀

2.3.2.1 允许最低压力值为0m

分析3.3.1的计算结果， 若要进一步控制停泵过程中泵管系统的压力降，使系统内不出现负压，可在管线局部高点设置单向调压塔， 即在桩号82+559，87+060，95+303，107+147，111+175，127+133设置6个单向调压塔，1#塔直径3m， 初始液面高6m；2#、4#、6#塔直径3m，初始液面高10m；3#塔直径3m，初始液面高8m；5#塔直径5m，初始液面高10m。 事故停机60s后，尾阀开始关闭，经过120s线性完全关闭。

图5为事故停泵，取水系统的水力过渡过程计算结果：（a）管线压力包络线；（b）加压水泵流量和转速随时间的变化曲线； （c）加压水泵出口止回阀流量和压力随时间的变化曲线； （d）压力最低点随时间的变化曲线；（e）尾阀开度和进口压力随时间的变化曲线。

图5 事故停泵的水力过渡过程（单向调压塔—关尾阀）

由图（b）、（c）可以看出，由于水泵出口的止回阀在停泵后1.5s关闭，加压水泵在停泵过渡过程中未出现倒流和倒转。 由图（a）、（c）知，管线的最大压力为732.13m，出现在加压水泵出口处。 由图（a）、（d）知，管线最小压力为0.47m，出现在桩号106+850处，整个管线中无负压。

2.3.2.2 允许最低压力值为2m

由3.3.2.1的计算结果，若要控制停泵过程中泵管系统的最小压力为2m， 则需要调整4#调压塔的桩号为106+850，将6#调压塔初始液面高度变为12m，并在4#和5#调压塔之间增加7#调压塔。 7#塔桩号为107+810，直径3m，初始液面高8m，其他调压塔参数不变。即，在管道沿线设置7个单向调压塔。 尾阀仍是在事故停机60s后开始关闭，经过120s线性完全关闭。

图6 管线压力包络线

图6为事故停泵，系统的压力包络线，其中管线的最大压力为732.80m，出现在加压水泵出口处。 管线最小压力为2.07m，出现在桩号127+133处。

3 结语

取水系统泵站发生事故停泵，当无防护措施时，管线多处出现汽化现象。 为有效控制（消除）事故停泵后系统中的负压，分别采用了“注气微排阀” “单向调压塔”“止回阀”和“关尾阀”相结合的4种防护方案。

对于四种防护方案，均在水泵出口装设止回阀；尾阀均在事故停机60s后开始关闭，经过120s线性完全关闭。

“注气微排阀-关尾阀”1方案中设置21个注气微排阀，当停泵发生时，管线的最大压力为732.21m，最小压力为-3.25m；“注气微排阀-关尾阀”2方案中设置7个注气微排阀，当停泵发生时，管线的最大压力为732.83m，最小压力为-8m，管线局部发生汽化；“单向调压塔-关尾阀”1方案中设置6个单向调压塔，当停泵发生时，管线的最大压力为732.13m，最小压力为0.16m；“单向调压塔-关尾阀”2方案中设置7个单调压塔，当停泵发生时，管线的最大压力为732.80m，最小压力为2.07m。

4种防护方案是根据不同的“允许最低压力值”选定的， 为了保证系统在过渡过程中无负压，“单向调压塔-关尾阀” 的两种方案设置了多个单向调压塔，工程投资量和施工难度大大增加。 此外，对于我国北方的输水工程，出于防冻的顾虑，设置单向调压塔的方案也是值得商榷的。 故综合安全性和经济型的考虑， 选定泵管系统过渡过程中“允许最低压力值”为-5m较为合理。