大落差长距离重力流输水管线系统防护和控制

大落差长距离重力流输水管线系统防护和控制

摘要：随着我国社会经济和工业化的迅猛发展，长距离输水工程越来越多的出现，而随着工程实施建成，在后期运行的过程中，系统控制及水锤危害问题也日

益显现出来，在初期重水锤分析，轻系统控制的现象特别明显。长输管线的安全

防护，是一个需要综合考虑的系统，并不指一台控制阀，一个调节罐的技术特性，而是一个小型而健全的安全系统，其内容大致包括：监测、控制、事故预案以及

后期运行数理反演评估。因此为了保证长距离输水系统工程的运行安全，选择安

全可靠、经济合理的控制系统和水锤防护措施变得尤为重要，实际工程更需要这

方面的技术，本文主要对此进行了简单的探索。

关键词：长距离、大落差、重力流、W型系统、系统控制、水锤防护

1重力流输水工程的现状和问题

1.1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。

1.2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。

1.3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。

1.4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。

2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。

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，我们主要注意的是：

1.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；

2、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；

3.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；

4.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。

3大落差长距离重力流输水管线水锤防护分析

3.1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。

3.2W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。

4算例分析

4.1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1564.2m，末端高程1452.5m，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。

4.2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1.9米，长7.74米，卧式安装，罐底