杨勇智雷蕾张雁

（陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安710018）

长距离有压输水管道系统中水锤的主动防御

杨勇智雷蕾张雁

（陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安710018）

传统长距离有压输水系统中的水锤防御设备依靠水力与压力触发的机械或液压执行方式，只能依照水锤形成－压力传导－机构触发执行的被动式防护模式运行，本文论述一类具有新型的具有主动检测、提前判断、前导执行的主动式水锤防御及防护设备的原理及运行模式，及其对有压输水系统安全性及经济性的影响；并简述了此类主动式防御设备与自控系统综合应用的发展方向。

压力管道；水锤；主动式防御

前言

随着国民经济的发展，科学技术的进步，采用管道输水的范围及领域越来越广，传统的被动式水锤防护方法与设备也被广泛的应用在管道输水的安全防护中，但随着输送距离、设计压力、输水规模的增大，水锤对输水管道的危险性也越来越高，被动式水锤防护设备体积随之增大，结构复杂度也越来越高，水锤防护设备成本在输水工程中所占比重也不停增大，制约了部分长距离输水工程的新建与扩建。本文简单论述一类基于主动检测、提前判断的主动式水锤防御及防护设备的原理及其在有压输水管道中的应用，以期减小水锤防护设备的体积及结构复杂度，降低输水管道系统，特别是长距离高水头输水管道工程中水锤防护成本，并促使输水管道系统更加主动的管理自身安全。

1 水锤基本概念

压力管路中，由于流速剧烈变化引起动量转化，从而在管路中产生一系列急剧的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。

水锤的约克夫斯基公式：

ΔH=ΔV*C/g式(1)

其中：

ΔH——表示压力升高；

ΔV——表示水流速度的变化率；

C——表示水锤波的波速；

g——表示重力加速度。

上述公式基本上解释了水锤，即压力波，产生的原因和影响其大小的因素。

在压力输水工程中，能够引起流速压力变化而导致水锤的因素很多，常见的因素有：（1）水泵的正常或事故启动或停止；（2）阀门的正常开关和调节，阀门故障；（3）管道的事故堵塞或泄露；（4）容器压力的变化及波动；（5）负压波时产生的空泡溃灭。

图1 水锤压力波传导模型

2 水锤防御原理

根据约克夫斯基的理论公式，我们可以得到如下的结论：减缓水在系统中的流速变化，降低机械波的传递速度。系统中因事故工况而产生的压力变化就会减弱，水锤就可以得到控制，基于这一理论便产生了一系列的水锤防御工程方案及设备。

3 传统被动式水锤防御

早期的水锤防御思路认为，当水锤发生后，管路中的流速、压力等水力学指标随之发生强烈变化，当检测到或依据工程经验预计到水力要素的发展趋势，采用设施或设备防止这种变化趋势的扩大，以便减小对管路系统的危害，即后知后觉式的防御，非真正意义上的防御。其防御过程如下：

水锤发生→压力超标→水力(机械)推动→启动设施(设备)→释放(缓冲)压力→压力达标→水力(机械)推动→关闭设施(设备)

基于防御式思维的水锤防御方案即为被动式水锤防御方案。

传统的被动式水锤防护设施主要有：单向水池，调压塔等；防护设备多采用机械式的排气吸气阀、缓闭阀、调压阀、超压泄压阀等机械式或是水力控制式阀门或设备组成。

4 主动式水锤防御

4.1 主动式水锤防御原理

主动式水锤防御设备通过感应水锤发生的前兆或引起水锤的起因条件，提前开启泄压设施设备并维持开启以消除水锤产生的压力波动。

主动式水锤防御设备是由以前纯水力式水锤防御设备发展而来，多为将智能控制系统与水力控制阀（或设备）结合，用于有压输水系统。

4.2 主动式水锤防御设备

（1）压力波动预止阀

压力波动预止阀是一种在正常工况下保持常闭，而在事故工况时打开的事故型阀门。压力波动预止阀在管道内首次出现压力下降时便打开，其工作原理是，让返回的水锤波无阻碍排放，以消除高压水锤。

压力波动预止阀的数学模型如图2所示，图中③和④为阀门前后管号。动预止阀开始启动工作。

图2 压力波动顶止阀数学模型

式中：HP3,NS和(HP3,NS)0分别为阀门上游节点NS任意时刻的测管水头；

χ为开启设定压力系数，取值0＜χ＜1。

压力波动预止阀在水锤压力波未开始传播前基于设定的风险因素指标提前打开阀门泄压，使得水流速变化率极小，压力波动因此不会很大。这与在高压出现时打开的安全阀不同，能够保证及时泄压。而安全阀则是当压力超过设定值时打开，但是往往因为在水锤高峰值到来时的速度太快，时间太短，安全阀没有足够的时间打开，因此安全阀的效果难以保证。

压力波动预止阀的主动式防御原理不仅降低了管路系统最高水锤压力的峰值，同时有效率和安全性高于被动式水锤安全阀门设备。

（2）水锤预防阀

水锤预防阀是主动防御型水锤防护设备，它是将智能控制系统和一个水力控制主阀结合在一起，用于输水系统，通过感应水锤前兆或引起水锤的起因条件（突然降压或者空然断电或二者相伴）提前开启消除水锤并维持开启，最大限度地保护系统免受水锤的危害。水锤预防阀是由以前纯水力式水锤预防阀发展而来，改进了纯水力的不能维持可靠延时、误开启、开启后难以关闭等等缺点。

它是由水力控制主阀、导阀和水力控制系统等组成。其工作原理如图3。

图3 水锤防御阀工作原理

图4 压力波动预止阀在泵站的应用

表1 压力波动预止阀特性表

作为主动防御型水锤防护设备，水锤预防阀的压力开关感应管道压力突降，电磁导阀感应水锤前兆或事故断电等前导因素后，PLC控制单元通过控制电磁导阀打开主阀泄水。消除水锤冲击波。

（3）水泵控制阀

水泵控制阀也属于主动式水锤防护设备的一种，在某些工况下，由于一台水泵开停，或者因水泵站水泵常开停、频繁切换等工况而产生压力波动时，或水泵站运行自动化程度较高时，在水泵之后建议选择水泵控制阀。该种阀门一般与水泵进行开启和关闭的过程控制，由PLC或专用水泵控制阀专供的控制盒完成。

在水泵开启时，阀门缓开起到背压启动的目的，使得水泵启动安全。甚至可以调节阀门开启的设定压力，如规定阀门在3bar时打开等。在水泵关闭时，可以实现“主动关闭”，即阀门先行关闭，至完全关闭或者关闭至97%等设定点时，水泵开始关闭，减小流速的变化率，阻止水锤的发生。

水泵控制阀亦可以解决由于关泵不当而产生的水锤。一旦检测到事故断电等风险因素后，水泵控制阀为速闭型止回阀，不等水锤波返回而快速主动关闭，达到保护水泵的目的，做到真正的主动式水锤预防。

4.3 主动式水锤防御设备的应用

压力波动预止阀主要应用于水泵机组出水干管起端旁通支管（图4）以及压力输水管路V型管段最低点的旁通管路上，通过提前检测到的压力波动达到提前开阀，泄放水锤压力，主动防御水锤破坏的作用。可替代调压塔，空气压力罐等传统大体积被动水锤泄放设备，其相对的主要优缺点见表1。

水锤预防阀与水泵控制阀都是由机械或液压机构加PLC电控单元组成的主动式水锤防御安全阀，但两者由于应用特性的不同其相应的结构单元及PLC控制单元又有所区别，水锤预防阀主动应用于输水压力管道水锤危害薄弱节点，具有迅速开启及时关闭的工作特性；而水泵控制阀主要应用于泵站机组出水管路，防止水锤对机组的危害，由于泵站水锤的成因及种类相对压力管道更为复杂多变，需实现诸如缓慢开启、延时关闭等特性，所以水泵控制阀的结构单元及PLC控制更为复杂。

5 结语

传统机械及液压式水安全阀由于及结构特性无法实现的许多主动操作，或是实现后由于水质、水压、含沙量等问题导致的执行效率及保证率不高的问题，大部分都可由加入PLC电控单元的方式解决，其在主动监测、提前执行、平抑水锤峰值、降低配套安全设备成本及安全执行保证率方面都具有传统设备不能比拟的优势。且随着工程供电水平的提升及太阳能供电设备及无线通信设备的发展，原来由于供电条件及远程控制通信能力限制的此类主动式水锤防御设备将更多的应用于长距离输水管路的站点及沿途管段。且随着建设水平的上升，此类阀门的控制单元可与输水工程自控系统联接，可预防的风险因素将进了步增加，并实现多阀联合调度执行，进一步提高压力输水工程的系统性安全。陕西水利

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（责任编辑：唐红云）

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