[科普中國]-調(diào)壓塔

調(diào)壓塔是指位于地面以上的調(diào)壓室。調(diào)壓塔是一種用于防止水柱分離的水錘防護(hù)措施，常裝設(shè)在管道系統(tǒng)中容易產(chǎn)生負(fù)壓的部位。與普通調(diào)壓塔不同的是在塔體水室與泵站出水主管道的連接短管上安裝有一個止回閥，止回閥的啟閉由出水管道的壓力控制。水泵啟動時，止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)，通過補(bǔ)水管向水室充水，當(dāng)水位達(dá)到正常水位后，補(bǔ)水管出口的浮球閥關(guān)閉，自動保持水室水位。事故停泵時，當(dāng)主管的壓力下降至低于調(diào)壓塔的水位時，止回閥迅速打開，通過連接短管向主管道補(bǔ)水，防止泵站主管道中壓力降低而產(chǎn)生水柱分離。

簡介水錘分析及其防護(hù)設(shè)計(jì)是供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)中不重視水錘計(jì)算分析或水錘防護(hù)設(shè)計(jì)不合理將可能導(dǎo)致水錘事故的發(fā)生。長輸水管道系統(tǒng)，由于地形起伏或管線穿越障礙物等原因，往往出現(xiàn)局部凸起或凹下的管段。這類系統(tǒng)由于水泵的幾何揚(yáng)程不太高，正常運(yùn)行時管道壓力不太大，往往未引起設(shè)計(jì)及運(yùn)行人員的重視。在電力中斷發(fā)生事故停泵時，由于在管道凸部產(chǎn)生“水柱分離”現(xiàn)象，誘發(fā)巨大水錘升壓，嚴(yán)重的能使管道破裂，泵房被淹，供水中斷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

單向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)1.單向調(diào)壓塔的結(jié)構(gòu)及原理

單向調(diào)壓塔是一種用于防止水柱分離的水錘防護(hù)措施，常裝設(shè)在管道系統(tǒng)中容易產(chǎn)生負(fù)壓的部位。與普通調(diào)壓塔不同的是在塔體水室與泵站出水主管道的連接短管上安裝有一個止回閥，止回閥的啟閉由出水管道的壓力控制。水泵啟動時，止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)，通過補(bǔ)水管向水室充水，當(dāng)水位達(dá)到正常水位后，補(bǔ)水管出口的浮球閥關(guān)閉，自動保持水室水位。事故停泵時，當(dāng)主管的壓力下降至低于調(diào)壓塔的水位時，止回閥迅速打開，通過連接短管向主管道補(bǔ)水，防止泵站主管道中壓力降低而產(chǎn)生水柱分離。

對于長輸水管道系統(tǒng)，適宜采取單向調(diào)壓塔進(jìn)行水錘防護(hù)，這是因?yàn)楫?dāng)管道內(nèi)壓力降低至一定值時，單向調(diào)壓塔可以給管道補(bǔ)水，防止產(chǎn)生負(fù)壓而形成水柱分離;另外在單向調(diào)壓塔與輸水主管相連的短管上安裝有止回閥，防止水逆向由管道流入塔內(nèi)，因此可以減小調(diào)壓塔的高度。調(diào)壓塔向主管補(bǔ)水后，由另外裝設(shè)的與浮球閥(或其他裝置) 相連的補(bǔ)水管對調(diào)壓塔充水，使塔內(nèi)水位達(dá)到預(yù)定的高度，以保證下一次補(bǔ)水的壓力與水量。單向調(diào)壓塔的水位高度及容積應(yīng)通過計(jì)算求得最佳值。

2.單向調(diào)壓塔的邊界條件

采用特征線法對事故停泵水錘進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析。特征線法是國內(nèi)外廣泛用于水錘分析的方法，其原理是將水錘方程沿特征線進(jìn)行有限差分近似，轉(zhuǎn)換成在特征條件下的代數(shù)方程，引入相應(yīng)的邊界條件求解1。

單向調(diào)壓塔的水錘防護(hù)特性1.單向調(diào)壓塔技術(shù)方案的確定

為了研究單向調(diào)壓塔在工程中的應(yīng)用，結(jié)合水源泵站進(jìn)行單向調(diào)壓塔水錘防護(hù)特性的研究。該供水系統(tǒng)由2臺32SAO10JB型水泵取水，并聯(lián)后由1根直徑為1400mm，長569915m的輸水管道向沉淀池供水。泵站取水口處，長江最高水位20.24m，最低水位4.69m，水位變幅達(dá)15.55m，采用圓筒干室型泵房。

出水管道從泵房底部垂直上升至控制層后，跨越長江干堤頂部，然后下降至地面高程，再沿地面鋪設(shè)延伸至遠(yuǎn)處的水廠沉淀地。在水泵出口附近處，管道由高程3.15m垂直上升至23.87m(頂部管道軸線高程) ，形成局部凸起管段。原設(shè)計(jì)時采用了兩種防護(hù)技術(shù)措施，一是在泵出口裝設(shè)了重錘式兩階段關(guān)閉液控蝶閥，設(shè)定的關(guān)閉程序?yàn)榭礻P(guān)時間7s，快關(guān)角度60°，慢關(guān)時間19s，慢關(guān)角度30°; 二是在23.87m高程的凸起管段上安裝了3個500的進(jìn)排氣閥。系統(tǒng)投產(chǎn)后，由于意外停電，多次發(fā)生嚴(yán)重的水錘事故，使管道爆裂，供水中斷，給市民生活和工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。

采用特征線法，引入單向調(diào)壓塔的邊界條件，對系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的停泵水錘計(jì)算分析，并對單向調(diào)壓塔的容積、水位高度、補(bǔ)水管直徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

經(jīng)方案比較，確定最小補(bǔ)水容積為48.8m3。結(jié)合管道布置及地形條件，并取安全系數(shù)k=1.1，選用兩個并聯(lián)的單向調(diào)壓塔，其直徑d=3.2m，水位高度H=4.8m，補(bǔ)水管直徑D=0.5m。裝設(shè)在出水管穿越長江干堤凸部的管段上。

2.單向調(diào)壓塔的水錘防護(hù)特性

采用特征線法對系統(tǒng)進(jìn)行停泵水錘計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，單向調(diào)壓塔具有顯著的水錘防護(hù)效果。原系統(tǒng)在未裝設(shè)調(diào)壓塔時，停泵后在管道凸部即產(chǎn)生水柱分離，大約在59s時被分離的水柱相彌合，這時在出水管道中產(chǎn)生巨大的水錘升壓，最大水錘壓力達(dá)到2.98MPa，而且水柱分離及其再彌合的現(xiàn)象在計(jì)算時段內(nèi)多次發(fā)生。因此可以看出，在長輸水管道中，由于事故停泵產(chǎn)生的水柱分離誘發(fā)巨大的水錘壓力上升是導(dǎo)致水錘事故、造成管道破損的主要原因。

加裝單向調(diào)壓塔后，由于在停泵過程中，管道壓力降低時，單向調(diào)壓塔可以通過補(bǔ)水管進(jìn)行補(bǔ)水，防止產(chǎn)生負(fù)壓形成水柱分離，因此可起到較好的水錘防護(hù)效果。

管中的最大水錘壓力為0.46MPa，管道系統(tǒng)內(nèi)未發(fā)生汽化和水柱分離，未出現(xiàn)危險的水錘升壓。

3.停泵水錘現(xiàn)場試驗(yàn)研究

為對單向調(diào)壓塔的水錘防護(hù)效果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，在九江市第三水廠水源泵站單向調(diào)壓塔安裝調(diào)試后，進(jìn)行了停泵水錘現(xiàn)場試驗(yàn)研究。采用超聲波流量計(jì)、光電轉(zhuǎn)速儀、壓力傳感器、閥位傳感器等儀器對停泵過程的瞬態(tài)流量、瞬態(tài)轉(zhuǎn)速、水泵出口閥關(guān)閥過程以及主要測點(diǎn)的壓力進(jìn)行了測試，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將實(shí)測數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 軟件繪制出各參量的瞬態(tài)過程線。

驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算分析的正確性，同時也說明了單向調(diào)壓塔對于防止水柱分離引起的水錘壓力升高具有顯著的水錘防護(hù)效果，而且是經(jīng)濟(jì)可靠的1。

總結(jié)(1) 水錘計(jì)算及其防護(hù)方案的設(shè)計(jì)是泵站工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，應(yīng)在對水錘進(jìn)行詳盡計(jì)算分析后根據(jù)水錘壓力變化的特點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盲目地選用水錘防護(hù)裝置，或加厚管壁，既造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，又無法起到水錘防護(hù)的作用。

(2) 輸水管道系統(tǒng)停泵水錘事故的主要原因是在事故停泵后的降壓過程中，管道出現(xiàn)負(fù)壓而導(dǎo)致水柱分離，在升壓波到來時，被分離的水柱再碰撞，誘發(fā)巨大水錘升壓，即所謂的“水錘分離及其再彌合”現(xiàn)象。

(3)單向調(diào)壓塔適用于防止輸水管道系統(tǒng)停泵過程中產(chǎn)生“水柱分離及其再彌合”現(xiàn)象，具有良好的水錘防護(hù)特性2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

徐恒山 - 講師 - 西北農(nóng)林科技大學(xué)