一、设计方案的重要性及思路

      有些供水工程输水压力高，输水过程中，由于阀门突然开启或关闭等原因，使流速发生突然变化，管道压力将产生大幅度波动，产生水锤效应。水锤有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件，严重威胁供水系统安全。

      为了降低水锤效应，保障供水系统的健康运行，需设置一套管道水锤防护监测系统，该系统常常与水听器侦听传感系统搭配使用，组成一套管线水锤及漏损监测系统（采用压电水听器+高频压力传感器+数据采集和传输设备RTU套件，同时需要给该套件提供直流电压或者直接交流供电才能正常工作，所有也可称电学式管道泄漏监测系统），安装方式如图1所示。根据每个供水工程的实际情况，各级输水管线末端均设有调节水池，整个供水系统的水锤防护可分段考虑，各子系统水锤防护也可单独考虑。

图1供水工程水锤防护监测系统安装示意图

二、设计方案基本要求

      设计方案所用到的水锤防护设备应是专业制造厂技术成熟的产品，水锤防护设备质量和性能应是安全和可靠的。必须保证整个供水工程输水系统的压力相对稳定，设备完好，保持设备健康运行。采用水锤防护监测系统设备后，供水工程输水管线压力变幅需要达到控制目标：

xiao除高压目标：各种水锤事故条件下，工程全线管道内压力不得超出正常工作时的压力0.3MPa；

xiao除负压目标：各种水锤事故条件下，工程全线管道内负压不得超出1m的真空值。

三、水锤防护监测系统阀门设备清单

复合排气阀、呼吸阀、减压阀（电动）、减压阀（水力）、防水锤型排气阀、减压孔板等，所有阀门为软密封。

3.1、减压阀（电动）

3.1.1、套筒多喷孔式

      所需调节阀应具有现场调整阀后压力及远程调整阀后压力（配合厂站区自控接入）等功能，具体要求如下：1）阀门在设计工作状态压力和流量情况下，出口压力应基本恒定不变，阀后压力设定值可调；2）电动执行机构无法正常操作时可手动操作；3）调节阀应能实现远程监测阀门状态并根据需要远程发送指令控制阀门动作的功能。

阀门开度与流量应成线性关系，并提交相关曲线图。阀门必须能保持良好的线性关系，不会出现压力突变情况，更不能由此导致关阀水锤。

阀门在全开状态下通过设计流量时的水头损失应≤ 1m 。

与防水锤排气阀、复合排气阀及呼吸阀等设备配套使用，保证整个输水系统的压力相对稳定，设备运行安全，能有效的去除高压、负压。

调流调压阀应有良好的动态防振动性能，使阀门在流速、压力变化较大的情况下，能长期保持无振动运行效果。

3.1.2、阀门的结构要求

      多喷孔控制阀内部采用喷管整个圆周对称的锥形小孔，将高压水由外向内，使水流加速通过小孔喷射，在喷管中心部位相互碰撞，去除能量，使气蚀现象发生在喷管中心位置，不会损坏阀门部件,并可确保阀门在工作范围内不产生振动，保证阀门的长期使用寿命。

      多喷孔控制阀主要有阀体、喷管、套筒、摇臂、电动装置、出口管等组成，电动型法兰连接，装于的主管或支管中实现减压或调流功能，能在全开，全关及阀门的任一位置正常顺利操作，在使用中不会产生气蚀或锈蚀而造成阀体损坏，亦不会因负压而产生震动及共振情况，保证阀门长期的平稳运行。

3.2、减压阀（水力）

控制主阀出口压力为一固定值。可通过调节先导阀将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身能量，使出口压力不因进口压力或出口流量变化而变化。阀前需加装过滤装置。

3.2.1、结构型式

1）调节阀主要用来调节压力，通过调节阀调节后能使阀门出口压力保持恒定，阀门与管道使用法兰连接，驱动方式为自力式驱动形式。

2）调节阀应配有智能控制系统用于阀门状态监测及控制，采用电池或市政供电双重功能，能够实现远程监测并调节阀后压力等功能。

3.2.2、技术要求

1）调节阀应具有调节压力和流量的功能，具有线性调节特性，应能在要求的压力和流量变化范围内实现连续、稳定、准确调节。

2）调节阀应有效的去除上游水头能量，在不同输水流量工况条件下，保证阀后压力稳定，出口压力偏差值不得超过整定值的±2.5%。

3）调节阀应能准确调节流量与压力，开关阀动作平稳，不会出现压力及流量突变的情况。

4）调节阀应有良好的动态防振动性能，使阀门在流速及压力变化较大的情况下，能长期保持无振动运行效果。

5）调节阀应具有良好的抗汽蚀性能，并采取必要措施，使调节阀出口因汽蚀而产生的气泡被限制在流道中央，防止气泡在阀门及管道壁面处破裂而使阀门或管道受到破坏。

6）调节阀允许汽蚀系数要求不大于0.15。

7）调节阀运行过程中的噪音控制值在距阀体1m处测得的噪音值应＜60分贝。

8）调节阀的开关动作应灵活无卡顿，阀门开关阀应迅速以确保不会产生水锤而危害管路设备，阀门由全开至全关连续关闭时间应满足工程设计单位的相应要求。

9）调节阀要有可靠的密封结构，密封结构要求渗漏量为零。

10）阀门结构必须保证其过流能力要求 ，运行时水损小 ，在设计流量的工况下，阀门开度不应大于全行程的85%。

11）调节阀应有可靠措施保证以减少在大流量或高压差条件下的操作负荷，阀门运行平稳。

3.2.3、智能采集系统

      减压阀应配有智能采集系统用于阀门状态监测及控制，采用太阳能及蓄电池或者市政供电。管线沿线的减压阀门（水力）由阀门厂家配套提供相应的检测仪表（包括阀门状态传感器、阀前/阀后压力变送器等）、信号采集装置以及相关的通讯及供电设备，具体通讯接口根据通信运行商通讯方案确定。相关阀门状态信号、阀前阀后的压力信号能够通过阀门厂家配套的数据采集装置将数据送至厂区中控室水厂生产SCADA系统。

3.3、防水锤空气阀

3.3.1、基本要求

组合式空气阀分为低压进排气和高压微量排气两部分。

低压进排气部分是在管道压力较低时（空管充水，管道排空等）工作，主要为低压工况下大量排气和进气。

高压微量排气则主要在管道正常带压工作时，将管道内不断析出的气体及时排放，以减少因之可能产生的多种不利后果。

空气阀应该能够在管线水压降到2m的情况下，仍能紧密关闭，不泄水。

在管线排空过程中，在泄水速度超过3m/s的情况下，组合式吸空气阀可以大量迅速的向管线补充空气，以避免管线出现负压。

在管线正常运行过程中，空气阀可以自动释放逐步聚集在管线高点的空气，避免由于气囊造成的水损。

与减压阀、复合排气阀及呼吸阀等设备配套使用，保证整个输水系统的压力相对稳定，保障设备运行健康，能有效的去除高压、负压。

整体结构简单，没有过多附件、配件，不锈蚀，故障率低，重量轻，便于安装与维护。防腐性能强，符合饮用水标准。

3.3.2、防水锤空气阀规格要求

防水锤空气阀既有排气功能又有补气功能，在管道异常快速充水或水柱弥合情况下，通过限制排气速度产生临时气囊，减缓水柱弥合速度，降低压力波动。阀体要求立式地面下安装。

防水锤空气阀建议采用一体化圆柱形设计，即低压进排气、高压微量排气装置处于整个阀体内部，整个空气阀外部无突出零部件，便于维护阀门元件，利于节省安装空间同时免于遭到意外损坏。

防水锤装置：其主要作用为当管道出现非正常工况发生水柱分离后的水柱弥合阶段通过限流盘来限制空气阀的排气速度，在一定时间内使管道内留存空气，形成气囊，通过空气的可压缩性和弹性降低快速流动的水对管道的冲击，维护管道健康。防水锤装置具有可调节缓闭调整机构，可根据水锤分析计算结果和现场实际运行工况现地调节气囊维持时间，以达到去除弥合水锤的ZUI佳效果。为避免管道内可能存在的杂物对防水锤装置造成卡堵和缠绕，防水锤装置应位于浮球上方以避免与水接触。

3.3.3、防水锤空气阀性能要求

防水锤空气阀，将主要作为在输水管线初次充水和正常运行时排出管道内的空气，及当管道内出现真空时进行补气。组合式空气阀将完成如下功能：

(1)空气阀应具有高低压微量和大量两种排气功能，大排量组合式空气阀的结构保证在管道正常运行时及时进、排气。

(2)高压排气则主要在管道正常带压工作时，将管道内不断析出的气体及时排放，以减少因之可能产生的多种不利后果。

(3)低压进排气部分是在管道压力较低时(空管充水，管道排空等)工作，主要为低压工况下大量排气和进气。

(4)当管道放空时或爆管泄水时，复合式空气阀能够及时吸进空气，以破坏管道真空，避免管道受到破坏。

(5)为防止异常情况下水柱分离后水柱弥合速度过快产生水锤，部分关键位置的空气阀必须有防水锤组件，具备快开缓闭功能及配件。先快速大量排气到设定压力后，再以较慢速度排放剩余全部空气。不得出现因管道排气速度过快，管线压力迅速上升而导致水锤及撞击。阀内部所有的活动部件，应保持动作灵活可靠，并无须保养维护，以保证空气阀工作的可靠性，使输水管线安全供水。

3.4、复合排气阀

3.4.1性能要求

（1）排气阀应为复合式排气阀，该阀具有大、小两个排气口且小排气口采用微量排气阀（DN100 以上口径含DN100），将难溶解性空气迅速排除，在开启供水时管道空管时该阀大量排气，将管道中空气迅速排出，使管道中介质水流畅通，提升流体效率；当管道存在有微量气体（或不易溶解气体）时则通过该阀的微量排气阀把气体排出，保证管道流体通畅，减少能耗。并且停止供水（或负压）时具有大量吸气功能，使管道内的大气压强与管外大气压强相等，减少破管的可能性；可提升供水率及防止管内产生负压，确保管道健康。结构形式：活塞式（浮桶式，即浮球只能上下作动）。

（2）排气阀应保证在任何工况下都不会由于高速气流的作用提前关闭，致使管道内空气不能排净。

（3）排气阀应在结构设计上实现在大口排气过程中限制排气流速的功能，以避免排气速度过快引发或加剧水锤破坏。

（4）排气阀运行时应无机械噪音和振动。

（5）排气阀在工作时应具有较小的噪音，距装置1m远处测得噪音在85dB以下。

（6）排气阀的zui大吸气能力须能满足事故检修水泵强排以及事故爆管沿管道zui大坡度重力自流两种工况下管道排水时补气的要求。

（7）排气阀的大量排气口在发生水锤工况下的水柱弥合阶段应具备限制排气流速的功能，以平抑管道内的压力波动，在管道快速充水时，应自动限制排气速度，防止出现高速水流对管道本身和附件的冲击。在管道内外的压差较低时可以全速排气，在排气速度达到设定值时自动动作，限制排气速度。

3.5、减压孔板

1、减压孔板是安装在检修阀门井内，输水管线正常情况下关闭前后阀门处于关闭状态，当SHOU次充水或检修后启动输水管线时开启前后阀门处于开启状态，输水管线正常运行后关闭前后阀门。

2、减压孔板主要性能及技术参数：

孔板材质：不锈钢S304

孔板厚度：12mm

单个孔面积大小：≤45mm2

环境温度℃：-40~+50

3.6、空气罐（水锤罐体）、单向调压塔或双向调压塔

空气罐（水锤罐体）、单向调压塔或双向调压塔等。空气阀补气时存在滞后性，水锤防护效果将大打折扣，因此在解决由负压引起的水锤问题时一般优先采用空气罐和调压塔。双向调压塔布置时，调压塔高度必须高于管路最高压力线，且为了减小塔中水位变化幅度，调压塔必须有较大的断面面积和容量，故双向调压塔主要适用于低扬程的泵站。在长距离高扬程供水工程中，采用空气罐可有效抑制水锤发生，但需设置的空气罐数量较多，体积较大，导致工程投资增加，而采用空气罐+单向调压塔的方案在有效抑制水锤发生的同时，可减小工程投资，提高泵站安全运行保障。

空气罐（水锤罐体）要求

（1）罐应是钢板焊接结构，材料不低于Q345R。

（2）法兰的形式、尺寸和技术条件应符合GB/T9124及GB/T13402的规定。

（3）罐必须能够保证充气压力稳定，采取空压机补气的方式，罐应配备向罐内补充气体的空压机及相关的连接及辅助配件。

（4）罐须配有DN400或DN500的人孔，并在罐顶部适当位置设置吊环。

（5）罐应配置安全爬梯及操作平台，操作平台周围设防护栏，方便相关阀门、仪器仪表的检修维护。

四、总结

      供水工程水锤防护监测系统设计方案主要针对管网的管线水锤及漏损监测、针对厂站和管理站的数据监测及共享、针对水厂的智慧运管。配套的应用层功能模块主要包括水锤及泄漏（漏损）监测分析系统、水厂智慧运管系统、水厂及各管理站数据监测及共享系统等。能够实时在线监测供水管道的爆管或漏损事件，基于现场高频压力传感器和时钟同步技术监测爆管漏量：240升/分以上，实现50米的爆管定位精度；识别和展示压力瞬变水锤事件（施工、阀门操作、水泵启停、排泥冲洗等），及时报警管理人员，定位瞬变源的位置或区域；同时验证过渡过程的理论计算和水锤防护设施，并指导运行人员科学操作。