论文部分内容阅读
摘 要：本文利用上下不等面积活塞增压原理而形成的独特结构箱式双向调压塔水力控制原理，以大伙房水库输水（二期）工程营盘配水站2座单向塔改造为实例，采用已建成的单向塔作为上箱体改造成箱式双向调压塔。说明了改造后的箱式双向调压塔不仅可保持原单向塔防负压水锤功能不变，而且可有效解决末端净水厂事故关阀时的正压水锤问题，同时克服了原单向塔进水管道上的单向阀动作不可靠的安全隐患，为长距离输水工程的单向塔改造和超压水锤防护提供了可以借鉴的理论及经验，具有显著的技术经济优势和推广应用前景。
关键词：水锤防护；单向调压塔；箱式调压塔；大伙房水库输水（二期）工程
中图分类号：TV 文献标志码：A
1.引言
长距离输水工程为防止突然关阀、停泵等产生的负压水锤或断流弥合水锤，通常设置单向调压塔，达到负压补水甚至补气作用。然而，设置单向调压塔需要在进塔管路上安装单向阀（止回阀），实践表明，止回阀经常出现动作不可靠现象，甚至拒动作。另外，打开需一定的启动压力（0.02Mpa），大大降低了单向调压塔在解决负压水锤中的重要作用，难以满足速动性与鲁棒性要求，严重危害了长输管线的安全运行。因此提高单向调压塔运行的可靠性、及时性、安全性是一项急需解决的关键问题。
新型箱式双向调压塔利用不等面积活塞增压原理，活塞上部面积乘其水深等于活塞下部面积乘以管道最大压力之积，达到活塞的动态平衡，保证管道发生意外水锤时，只要压力升高大于正常运行最大设计水压，活塞下部的作用合力大于活塞上部的作用合力，活塞上移，打开泄水口，使管道超高压力得以释放，从而保护管道安全，当管道因突然停泵或开阀等水锤原因使管道压力降至低于箱内水深或出现负压时，箱内水则向管道内流动，预防或消除管道断流现象，消减断流弥合水锤。由此可见，箱式双向调压塔具有普通双向调压塔的功能，其高度可大幅度降低，其降低值可根据具体情况适当扩大活塞上部面积即可。由此原理可见，对单向稳压塔进行改造成箱式双向稳压塔，不仅可以解决止回阀动作的不可靠性，保证负压补水、补气作用，而且可以解决突然关阀等正压水锤。
2.箱式双向水力调压塔基本控制原理
箱式双向调压塔之所以能把双向调压塔的高度降低，而功能保持不变，关键采用了上下活塞面积不等，从而达到增压的原理。其数学表达式为：
HPSP=HTST （2-1）
式中：HP为管道压力水头；SP为箱式双向调压塔活塞下表面面积；HT为箱式双向调压塔上箱体水头；ST为箱式双向调压塔活塞上表面面积。
活塞在整个过程中受力始终是平衡的，而活塞的上部面积ST大于下部面积SP，因此箱式双向调压塔内部的压强HT小于管道压强HP。这样活塞上部所受压力FT与活塞下部来自管道压力FP决定箱式调压塔的动作状态，活塞上下面积的比值越大，箱式调压塔的内部水深越小，即箱式调压塔的有效高度降低，从而降低了箱式调压塔的整体高度。其高度可大幅度降低，其降低值可根据具体情况适当扩大活塞上部面积即可。箱式双向调压塔结构见图2-1。
大伙房水库输水二期工程是解决辽宁省中南部七市水资源短缺问题的重大区域性水资源配置工程，在输水距离长达400km、日输水量高达594万t/d、供水目标多达15个的条件下，全系统采用了压力密闭输水方式，鞍山加压站采用了串联加压方式，系统结构和组成复杂，为保证输配水系统安全可靠运行，经水力过渡分析，在营盘配水站设置了2座单向调压塔，以解决突然断电停泵所产生的负压水锤。由于鞍山加压站下游最长管线近100km，除在营盘配水站各支线出口处设置两个单向调压塔外，并没有其他稳压措施，经对该段管道可能发生的最大、最小内水压力及相关的阀门操作的影响进行复核，在营口、盘锦净水厂分别或同时关阀停水时，管线中会产生很大的动水压力，超过了设计压力。必须增设解决正压措施，比较了设置溢流式双向调压塔、单向调压塔+超压泄压阀、箱式双向调压塔改造方案。采用双向溢流式调压塔是最安全的水锤防护措施，但由于该段设计压力高达1.12Mpa，且处于平原区，修建高达100余米高的调压塔存在着抗震、防冻、运行维护等困难，投资较大。单向调压塔与加装超压泄压阀组合方案安全程度不高，主要由于超压泄压阀一般为先导式，可靠性较差，实践中经常出现滞动作或拒动作问题。经分析，在主管道和单向调压塔的连接管上安装箱式调压装置，即可将单向调压塔改造成溢流式双向调压塔，从而既不增加塔高，又可使其具有溢流式双向调压塔的功能。
3.2改造方案
原有的箱式双向调压塔主体分为上阀体和下阀体，可将输水管线上原有的单向塔作为上阀体，所以工程上只需安装下阀体，并通过管道将两部分连通即可。改进后的箱式调压装置见图3-1，箱式调压塔管道高压开启状态见图3-2，箱式调压塔管道低压注水状态见图3-3。
3.3可调控制压力设置
由于某一时期管道的输水量不同，管道实际内水压力值亦不同，可在单向塔内灵活设置多级溢流水位，作为该阶段的控制压力目标。營口、盘锦支线管道工作压力为0.8Mpa，已建单向塔高25m，2座单向塔合建，中间设溢流井，压力水头为20m，经计算分别选用DN800和DN600的下箱体。当管道的某一运行阶段的压力为40m时，经计算，溢流管设置高程为15m；当管道的某一运行阶段的压力为60m时，经计算，溢流管设置高程为20m。详见图3-4。
3.4水力过渡分析
由于单向塔原设计目的是解决鞍山加压站突然停泵时营盘支线出现的负压水锤问题，因改造后保持补水功能不变，这里不再分析。以7月1日输水量（营口支线流量4.745m3/s，盘锦支线流量1.968m3/s）为典型工况分析营口、盘锦净水厂事故关阀时，对仅设单向塔和改造成箱式双向塔压力分布进行对比。计算结果详见表3-1、3-2、3-3。可见改进后的单向调压塔能起到很明显的泄压作用，并且动水压力均小于管道设计压力。
4.结论
通过独特结构的箱式双向调压塔水力控制原理，将长距离输水工程通常设置的单向塔改造成双向塔，不仅可保持由于突然停泵、开阀而产生的负压水锤防护功能不变，而且可有效解决突然关阀产生的超压水锤问题。替代了传统的双向调压塔，克服了长距离输水工程平原区设置双向调压塔高度大、抗震要求高、投资高、管理维护难度大等困难，控制可靠、灵活，是对传统单、双向调压塔的技术突破，极具实用价值，技术经济效益十分显著。
参考文献
[1] 张健、郑源.辽宁省大伙房水库输水（二期）工程泵站及全系统水力过渡过程分析报告[R].沈阳：辽宁省大伙房水库输水工程建设局，2006.
[2]杨玉思、曲兴辉.箱式双向调压塔.中国.ZL200610104798.X[P]，2008-09-03.
[3] 刘光临、刘梅清.采用单向调压塔防止长输水管道水柱分离的研究[J].水利学报，2002（9）：44-48.
[4] E.B.怀利、V.L.斯特里特.瞬变流[M].清华大学流体传动与控制教研组.译.2版.北京：水利电力出版社，1987.
关键词：水锤防护；单向调压塔；箱式调压塔；大伙房水库输水（二期）工程
中图分类号：TV 文献标志码：A
1.引言
长距离输水工程为防止突然关阀、停泵等产生的负压水锤或断流弥合水锤，通常设置单向调压塔，达到负压补水甚至补气作用。然而，设置单向调压塔需要在进塔管路上安装单向阀（止回阀），实践表明，止回阀经常出现动作不可靠现象，甚至拒动作。另外，打开需一定的启动压力（0.02Mpa），大大降低了单向调压塔在解决负压水锤中的重要作用，难以满足速动性与鲁棒性要求，严重危害了长输管线的安全运行。因此提高单向调压塔运行的可靠性、及时性、安全性是一项急需解决的关键问题。
新型箱式双向调压塔利用不等面积活塞增压原理，活塞上部面积乘其水深等于活塞下部面积乘以管道最大压力之积，达到活塞的动态平衡，保证管道发生意外水锤时，只要压力升高大于正常运行最大设计水压，活塞下部的作用合力大于活塞上部的作用合力，活塞上移，打开泄水口，使管道超高压力得以释放，从而保护管道安全，当管道因突然停泵或开阀等水锤原因使管道压力降至低于箱内水深或出现负压时，箱内水则向管道内流动，预防或消除管道断流现象，消减断流弥合水锤。由此可见，箱式双向调压塔具有普通双向调压塔的功能，其高度可大幅度降低，其降低值可根据具体情况适当扩大活塞上部面积即可。由此原理可见，对单向稳压塔进行改造成箱式双向稳压塔，不仅可以解决止回阀动作的不可靠性，保证负压补水、补气作用，而且可以解决突然关阀等正压水锤。
2.箱式双向水力调压塔基本控制原理
箱式双向调压塔之所以能把双向调压塔的高度降低，而功能保持不变，关键采用了上下活塞面积不等，从而达到增压的原理。其数学表达式为：
HPSP=HTST （2-1）
式中：HP为管道压力水头；SP为箱式双向调压塔活塞下表面面积；HT为箱式双向调压塔上箱体水头；ST为箱式双向调压塔活塞上表面面积。
活塞在整个过程中受力始终是平衡的，而活塞的上部面积ST大于下部面积SP，因此箱式双向调压塔内部的压强HT小于管道压强HP。这样活塞上部所受压力FT与活塞下部来自管道压力FP决定箱式调压塔的动作状态，活塞上下面积的比值越大，箱式调压塔的内部水深越小，即箱式调压塔的有效高度降低，从而降低了箱式调压塔的整体高度。其高度可大幅度降低，其降低值可根据具体情况适当扩大活塞上部面积即可。箱式双向调压塔结构见图2-1。
大伙房水库输水二期工程是解决辽宁省中南部七市水资源短缺问题的重大区域性水资源配置工程，在输水距离长达400km、日输水量高达594万t/d、供水目标多达15个的条件下，全系统采用了压力密闭输水方式，鞍山加压站采用了串联加压方式，系统结构和组成复杂，为保证输配水系统安全可靠运行，经水力过渡分析，在营盘配水站设置了2座单向调压塔，以解决突然断电停泵所产生的负压水锤。由于鞍山加压站下游最长管线近100km，除在营盘配水站各支线出口处设置两个单向调压塔外，并没有其他稳压措施，经对该段管道可能发生的最大、最小内水压力及相关的阀门操作的影响进行复核，在营口、盘锦净水厂分别或同时关阀停水时，管线中会产生很大的动水压力，超过了设计压力。必须增设解决正压措施，比较了设置溢流式双向调压塔、单向调压塔+超压泄压阀、箱式双向调压塔改造方案。采用双向溢流式调压塔是最安全的水锤防护措施，但由于该段设计压力高达1.12Mpa，且处于平原区，修建高达100余米高的调压塔存在着抗震、防冻、运行维护等困难，投资较大。单向调压塔与加装超压泄压阀组合方案安全程度不高，主要由于超压泄压阀一般为先导式，可靠性较差，实践中经常出现滞动作或拒动作问题。经分析，在主管道和单向调压塔的连接管上安装箱式调压装置，即可将单向调压塔改造成溢流式双向调压塔，从而既不增加塔高，又可使其具有溢流式双向调压塔的功能。
3.2改造方案
原有的箱式双向调压塔主体分为上阀体和下阀体，可将输水管线上原有的单向塔作为上阀体，所以工程上只需安装下阀体，并通过管道将两部分连通即可。改进后的箱式调压装置见图3-1，箱式调压塔管道高压开启状态见图3-2，箱式调压塔管道低压注水状态见图3-3。
3.3可调控制压力设置
由于某一时期管道的输水量不同，管道实际内水压力值亦不同，可在单向塔内灵活设置多级溢流水位，作为该阶段的控制压力目标。營口、盘锦支线管道工作压力为0.8Mpa，已建单向塔高25m，2座单向塔合建，中间设溢流井，压力水头为20m，经计算分别选用DN800和DN600的下箱体。当管道的某一运行阶段的压力为40m时，经计算，溢流管设置高程为15m；当管道的某一运行阶段的压力为60m时，经计算，溢流管设置高程为20m。详见图3-4。
3.4水力过渡分析
由于单向塔原设计目的是解决鞍山加压站突然停泵时营盘支线出现的负压水锤问题，因改造后保持补水功能不变，这里不再分析。以7月1日输水量（营口支线流量4.745m3/s，盘锦支线流量1.968m3/s）为典型工况分析营口、盘锦净水厂事故关阀时，对仅设单向塔和改造成箱式双向塔压力分布进行对比。计算结果详见表3-1、3-2、3-3。可见改进后的单向调压塔能起到很明显的泄压作用，并且动水压力均小于管道设计压力。
4.结论
通过独特结构的箱式双向调压塔水力控制原理，将长距离输水工程通常设置的单向塔改造成双向塔，不仅可保持由于突然停泵、开阀而产生的负压水锤防护功能不变，而且可有效解决突然关阀产生的超压水锤问题。替代了传统的双向调压塔，克服了长距离输水工程平原区设置双向调压塔高度大、抗震要求高、投资高、管理维护难度大等困难，控制可靠、灵活，是对传统单、双向调压塔的技术突破，极具实用价值，技术经济效益十分显著。
参考文献
[1] 张健、郑源.辽宁省大伙房水库输水（二期）工程泵站及全系统水力过渡过程分析报告[R].沈阳：辽宁省大伙房水库输水工程建设局，2006.
[2]杨玉思、曲兴辉.箱式双向调压塔.中国.ZL200610104798.X[P]，2008-09-03.
[3] 刘光临、刘梅清.采用单向调压塔防止长输水管道水柱分离的研究[J].水利学报，2002（9）：44-48.
[4] E.B.怀利、V.L.斯特里特.瞬变流[M].清华大学流体传动与控制教研组.译.2版.北京：水利电力出版社，1987.