CN207863032U - 长距离双pccp输水提水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为长距离双PCCP输水提水系统，包含使用新型的同步对称换流阀或2组换向阀控制2条PCCP管路进行交替提水、排水的过程。本实用新型利用水锤波能量即流动压力内水瞬变流，实现从阀门处交替衔接水锤连续平稳往高处提水及往低处排水；提水过程充分利用上下游内水水能，总水能转换高于常规水锤泵的水能利用；通过提水与排水阀门开度之和恒等于全开,以及两提水阀门或两排水阀门开度之和恒等于全开的控制，避免事故水锤，保证设备安全运行；通过换流阀门组对双PCCP管提水、排水的同步切换，及双PCCP管弹性对称一致，获得两管内水上行正负水锤波的对称性，上行至分流井相遇湮灭，从而保护上游分流井及其更上游隧道。

Description

长距离双PCCP输水提水系统

技术领域

本实用新型应用于大型水资源配置工程，长距离输水或跨流域调水引水中的提水工程。

背景技术

提水技术就目前而言皆为电机内燃机以及其他动力输出驱动水泵提水，既有水锤泵技术利用水头差动水流速提水的应用虽然早已有之，但是就原理与实现途径以及可能的规模与提水能力完全不一样，且就提水能力与经济效益而言不可同日而语。本技术可推广应用于大型输水提水工程，这种研究不断成熟，并能够在工程中得以应用，是工程设计建设中具有突破意义的应用技术和理论创新。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题即在提供一种长距离双PCCP弹性管道输水系统，利用双PCCP管的内水换流交替产生时间上互相衔接的正水锤向高处连续平稳提水、同时向低处不间断平稳排水的技术方法，实现同时向下游较高处平稳提水以及向下游较低处控流输水的物理过程。

本实用新型所采用的技术手段如下。

本实用新型保护一种长距离双PCCP输水提水系统，包含F地的上游分流调压井或水源水库、S地的下游提水调压井、C地的排水汇流井，三地中间设置换流阀，所述上游分流调压井与换流阀间通过2个并行的PCCP管连通，该段为上游段，所述换流阀与下游提水调压井通过下游提水管连接，所述换流阀与排水汇流井通过下游排水管连接，其中S地的地势高于 F地和C地的地势。

所述换流阀为同步对称换流阀，其包含进水腔和出水腔，二者通过主隔离壁间隔开，该主隔离壁上设置有第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔，第一通孔与第四通孔对角设置，第二通孔与第三通孔对角设置；所述进水腔包含第一进水室和第二进水室，二者通过进水室隔离壁间隔开，第一进水室的入口为第一进水孔，出口为主隔离壁上的第一通孔和第二通孔，第二进水室的入口为第二进水孔，出口为主隔离壁上的第三通孔和第四通孔，该第一进水孔、第二进水孔分别与上游段的2个PCCP管连通；所述出水腔包含第一出水室和第二出水室，二者通过出水室隔离壁间隔开，第一出水室的入口为第一通孔和第三通孔，出口为第一出水孔，第二出水室的入口为第二通孔和第四通孔，出口为第二出水孔，该第一出水孔、第二出水孔分别与下游提水管、下游排水管连通；主隔离壁的进水室侧还设置有用于阻挡水流通过的4个可启闭挡门，每个挡门各对应一个通孔，所述挡门面积大于通孔面积。

所述挡门通过滑动的方式实现通孔的启闭，主隔离壁内设置定子，每个挡门均内置有与所述定子对应的直线电机动子，并由直线电机定子驱动滑行按水锤节律开关。

所述对应第一至第四通孔的挡门分别为第一至第四挡门，上排的第一挡门、第二挡门间隔设置，下排的第三档门、第四档门间隔设置，所述上排第一挡门、第二挡门与下排第三档门、第四挡门同步反向往复运动，交替阻挡第一通孔和第四通孔，或第二通孔和第三通孔。或者其中1 个挡门不移动备用，另3个挡门以品字形或倒品字形同步同向往复运动，交替阻挡第一通孔和第四通孔，或第二通孔和第三通孔。

使用如上所述的长距离双PCCP输水提水系统的方法，根据已知常数参数取值和方程组求得1/2水锤周期t所需时间

t＝2L/a

其中，K为水的体积弹性模量，g为重力加速度，γ为水的重力密度， E为管壁材料的弹性模量，D为管道内径，δ为管壁厚度，为声波在水中的传播速度，t为1/2水锤周期，L为上游段的长度；在换流阀的换流过程中，每隔1/2水锤周期t，第一通孔、第四通孔开启/关闭，第二通孔、第三通孔(关闭/开启，双PCCP管的提水、排水通路改变换流，往下游提水量与往下游排水量之比为(V－ΔV):(V－ΔV’)。

当管道内水弹性速变ΔV’趋于0，则往下游提水量与往下游排水量之比趋于(V－ΔV):(V)。

本实用新型还保护另一种长距离双PCCP输水提水系统，包含F地的上游分流调压井或水源水库、S地的下游提水调压井、C地的排水汇流井，三地之间通过2组并行的Y型PCCP管连接，每组Y型PCCP管的上游段连接上游分流调压井，下游的两个分支分别连接下游提水调压井和排水汇流井，每组Y型PCCP管的分流点设置三通换向阀,其中S地的地势高于F地和C地的地势。

所述每个三通换向阀包含分别设置于Y型PCCP管2个分支入口的2个蝶阀。

所述双PCCP输水距离水锤半周期大于组合阀切换换流时间2个数量级水平，双PCCP输水距离大于或等于10km。

本实用新型所产生的技术效果：本实用新型的提水系统包括上游水源分流井、长距离输水强制水锤波段双PCCP管段、2套Y型三通换向阀或1 套同步对称换流阀及其水锤波传感监控系统、提水井水位(或强制水锤) 稳定控制之溢流口或提水井水位稳定优先传感控制变频提水机组、管隧道排水入溢流水体设施，通过按水锤半周期节律对阀门组同步开关实现内水同步换向换流，在双PCCP管内产生强制同步对称并在阀门处彼此衔接的正负水锤波，从而实现从阀门处水锤连续的平稳的往高处提水以及往低处排水。该系统提水不仅利用了换向换流分水枢纽上游段的水能，而且也可以利用分水枢纽下游排水段水能提水，即充分利用系统内水水能，因而总水能转换会高于常规水锤泵的水能利用。双PCCP管内水按水锤节律进行阀门组同步切换，使两管内水产生自阀门上行对称的正负水锤波；对强制水锤管段内水分别增压、提速；而对称的正负水锤波上行至分流井相遇叠加抵消湮灭，以保护上游隧道管道免受水锤波冲击。

附图说明

图1为本实用新型双PCCP系统的结构示意图。

图2为本实用新型中的同步对称换流阀的立体示意图。

图3A为主隔离壁M-M截面的4个通孔的示意图。

图3B为进水室入口L-L截面的2个进水孔的示意图。

图3C为出水室入口N-N截面的2个出水孔的示意图

图4为主隔离壁上设置挡门的示意图。

图5A至5D分别为采用同步对称换流阀的提水系统第一至第四1/4水锤周期的过程示意图。

图6为另一种双PCCP系统的结构示意图。

图7为图6中换流处三通Y型换向阀的结构示意图。

图8A至图8B为采用2组三通Y型换向阀的提水系统第一至第四1/4水锤周期的过程示意图。

图8A-1为图8A中的方框放大图。

图8B-1为图8B中的方框放大图。

图8C-1为图8C中的方框放大图。

图8D-1为图8D中的方框放大图。

具体实施方式

本实用新型保护长距离双PCCP管道输水提水系统以及内置其中的新型换流阀。

本系统包含F地的上游分流调压井1或水源水库、长距离双PCCP管路、 2组三通换向阀或同步对称换流阀分别连通下游提水调压井2和排水汇流井3。F地的上游分流调压井1(特别是通过对其工作水位段扩径后)起到分流、调压、正负水锤波相遇抵消稳定水压的作用。长距离双PCCP管路为强制水锤波段，实现连续衔接的对内水的增压与提速。2组三通换向阀或同步对称换流阀与连通下游提水调压井2和排水汇流井3管隧道的连接方式，实现内水切换产生强制正负对称水锤，并实现向往高处提水以及低处排水。阀门组的水锤传感控制系统是对强制水锤波自阀门向上游 PCCP管段始发及其反射回返进程进行内水流速、压力以及水锤波速的精确监测或实时传感，并据以对阀门组进行强制水锤半周期时点换流切换的精确控制。S地的下游提水调压井2，通过溢流口或变频电机提水井水位稳定优先的传感反馈控制，实现提水井水位即提水水锤的稳定。S地的地势高于C地且高于F地的地势，且F地的水位高程等于S地水位与C地的水位平均值再加上工作流速耗用(不含强制水锤)水头，强制水锤值约为S地与C地的高程差半值。

如图1所示，上游分流调压井1与换流阀Y之间为PCCP管的上游段，其包含2条PCCP管路，即第一PCCP管81和第二PCCP管82。换流阀Y到S地的下游提水调压井2间为PCCP管或隧道的下游提水段，换流阀Y与C地的下游排水汇流井3间为PCCP管或隧道的下游排水段。换流阀Y实现2条PCCP管路下游提水和排水的切换换流。

在本系统的输水过程中PCCP管是从整体考虑最合适的输水管材，当然也可根据实际的使用需求采用其他弹性材质(如金属)管等。

上述换流阀Y可采用如图2所示的同步对称换流阀。

该同步对称换流阀包含进水腔10和出水腔20，二者通过主隔离壁30 间隔开。主隔离壁30上设置有第一通孔11、第二通孔12、第三通孔13及第四通孔22，四个通孔在主隔离壁30上呈田字排列。第一通孔11与第四通孔22对角设置，第二通孔12与第三通孔21对角设置。

上述进水腔10包含2个进水室，即第一进水室101和第二进水室102，二者通过进水室隔离壁13间隔开。第一进水室101的入口为第一进水孔 41，出口为主隔离壁30上的第一通孔11和第二通孔12。第二进水室102的入口为第二进水孔42，出口为主隔离壁30上的第三通孔21和第四通孔22。第一PCCP管81连接第一进水孔41，第二PCCP管82连接第二进水孔42。

上述出水腔20包含2个出水室，即第一出水室201和第二出水室202，二者通过出水室隔离壁23间隔开。第一出水室201的入口为第一通孔11和第三通孔21，出口为第一出水孔51。第二出水室202的入口为第二通孔12 和第四通孔22，出口为第二出水孔52。第一出水孔51连接下游提水管83，第二出水孔52连接下游排水管84。

主隔离壁30的进水室侧还设置有用于阻挡水流通过的移动挡门，该移动挡门通过滑动的方式实现通孔的启闭。如图4所示，第一至第四通孔 11、12、21、22分别对应第一至第四挡门111、121、211、221，上排的第一挡门111、第二挡门121间隔设置，下排的第三档门211、第四档门221 间隔设置。上排挡门与下排档门同步反向往复运动，交替阻挡第一通孔11和第四通孔22，或第二通孔12和第三通孔21。

上述挡门为轴套型直线电机驱动门，挡门均通过直线电机轴型定子对轴套型动子的驱动滑动。与之配套的是自润滑轮轨，以实现滑行门水锤重荷载低摩擦阻力。直线电机定子可内置于隔离壁，而动子可内置于挡门。

为了完全消除滑行门由关而开以及由开而关刹那间水锤重荷载滑行摩擦阻力，在采用自润滑滑轨的基础上(包括滑行挡门与隔离壁以及轨道皆自润滑固体润滑滚动滑动)，再采取常导或超导磁悬浮的技术，通过水锤与自润滑滚动滑行正压力的传感以及磁悬浮距离的激光超声电子传感对常导或超导磁悬浮电磁体线圈电流自动控制调整，特别是磁悬浮排斥力抵抗水锤荷载的间距自调整，门在滑行方向横向2沿窝边入槽随门滑行以适应悬浮距离自调整而仍然保持滑行门阀足够的密闭性，实现磁悬浮力与门水锤荷载在全关状态时的以及滑行动态的完全平衡。如图4所示的4个滑行挡门(即一挡门对一通孔)的方案，隔离壁或导轨内置常导或超导电磁体无需换向换极利于磁悬浮控制，进水室侧同一排即上排的或下排的2个挡门可刚性连成为一个整体刚性接构件并在同一组滑轨上滑行。2组挡门水锤荷载按水锤周期变化：提水门打开正水锤由大而小变化，排水门关闭负水锤荷载由小而大变化；提水门关闭正水锤由小而大变化，排水门打开负水锤荷载由大而小变化。这样，通过在2组滑行挡门总成形成与水锤力始终抗衡对称，并按水锤周期变化的磁悬浮力，就可以保证滑行门摩擦力最小化，并平稳往复梭织般运行。

鉴于滑行门开启与关闭滑行段正负水锤荷载分别呈递减递增变化，可通过在2排滑行门分别内置足够密度的磁悬浮永磁体并磁通密度场强足够均匀平滑，并在内置于主隔离壁的4个通孔或滑轨的极向相反的常导磁悬浮电磁体或按常导磁悬浮使用的超导电磁体线圈电流与场强变化精确传感控制，即对2排挡门的多处磁浮高度、水锤压力、滑动摩擦正压力传感来控制磁悬浮电磁体电流，使内置于滑轨或隔离壁磁浮电磁体在提水门与排水门段足够密集而场强沿滑轨在垂直于门的极向相反2磁场分别呈现足够精确光滑递增递减的变化，实现磁悬浮与水锤完全抗衡对称的动态变化，或使水锤与磁浮对滑行门总成作用力与力矩最小化，实现滑轨机械摩擦正压力或摩擦阻力最小化，滑行门水锤磁浮力矩最小化，从而实现滑行门平稳长久运行。上述超导电磁体只是为使电流场强较大或足够大，超导磁体并非安装在滑行门上以图通过超导磁场高速滑行在下伏导体或线圈内产生抵抗磁通变化的感应电流磁场而受排斥并在其表面悬浮。

直线电机驱动滑行的控制则是对滑行速度里程进行传感控制，挡门的面积大于通孔，滑行挡门启动低速段在口外，在高速段开关。还要求滑行门疏水低水阻，换流阀室及其管道与门使用非磁性绝缘材料。

上述滑行门磁悬浮、磁导向、滑行驱动直线电机、自润滑滑轨的选用与研制，可根据实际的管路流量和提水水锤大小以及强制水锤周期与换流阀门切换速度时间要求即滑行门荷载与提水系统要求情况选型研制。最简便开发技术路线，把既有列车磁悬浮技术移植并进行绝缘防水等适应适用性改造，直线电机定子线圈内置于隔离壁(或固定轨道)，固定轨道另内置常导或超导磁悬浮电磁体以及导向电磁体(而不是导向8 字线圈，可传感控制)，实现对滑行门的推进、磁浮与导向，而滑行门相应内置了直线电机动子永磁体、磁悬浮永磁体以及8字导向线圈、不需外接电源。

在上述滑行挡门结构基础上，还可采用3个挡门的运行方案。4个挡门中仅选3个挡门，呈类似品字(如图4所示)或倒品字布置组合，交替阻挡第一通孔11和第四通孔22，或第二通孔12和第三通孔21，同步同方向进行往复梭织运动。例如，第一挡门111不移动，第二挡门121、第三挡门211和第四挡门221为“品”字形设置，如图4所示的第二挡门121关闭第二通孔12、第三档门211关闭第三通孔21的状态。切换时，第二挡门 121、第三挡门211和第四挡门221同时向左移动，则第二挡门121关闭第一通孔11、第四挡门221关闭第四通孔22。再切换时上述3个挡门向右移动回到图4的状态。第二挡门121或第三挡门211或第四挡门221不移动的方案，运行原理同上，不再重复说明。上述滑行挡门的实施例方案可以严格准确地实现提水与排水阀门开度之和恒等于全开,以及两提水阀门或两排水阀门开度之和恒等于全开的控制，此为最佳的一种实施例。但是对滑行门磁悬浮有新的技术要求，即单门对提水口与排水口开关，滑行门同时要承受正水锤和负水锤荷载，实现这样的水锤荷载为磁悬浮力动态地完全抗衡，这样4门可以始终有一块门备用，这样的方式更有利于提水系统阀门组及时维护与持续运行。

上述同步对称换流阀实际使用时，当对角第一通孔11和第四通孔22 所对应的挡门同时开启，且第二通孔12和第三通孔21所对应的挡门同时关闭，此时通路为第一进水孔41-第一通孔11-第一出水孔51，即第一PCCP 管81的内水进入下游提水管83，实现第一PCCP管81的提水过程，同时第二进水孔42-第四通孔22-第二出水孔52接通，即第二PCCP管82的内水进入下游排水管84，实现第二PCCP管82的排水过程。

换流切换瞬间，对角第一通孔11和第四通孔22所对应的挡门同时关闭，且第二通孔12和第三通孔21所对应的挡门同时开启，此时通路为第一进水口41-第二通孔12-第二出水孔52，实现第一PCCP管81的排水过程，同时第二进水口42-第三通孔21-第一出水孔51，实现第二PCCP管82的提水过程。

上述2个过程交替，完成双PCCP管向S地、C地的交替提水和排水；实现0.2秒的水平时间内瞬间换流，该换流时间远远小于水锤半周期，可比水锤半周期小2个数量级，使交替提水、交替排水皆愈微缝无缝衔接而愈平稳。

以下结合上述结构和实际实验过程，对上述结构的使用和原理进行说明。

首先说明的是，对本专利所及提水水锤表达形式之一是内水水锤压力波峰面前后的压力差，压力增加的方向与水流的方向一致为正水锤。另一表达形式则是内水水锤压力波峰面前后存在的流速差，流速增加的方向与内水流速方向相同为负水锤。

上述方案内，阀门对内水从往C地方向切换往S地方向的瞬间，存在内水压力差ΔP，且压力增加方向与水流方向相同，对上游段内水来说是正水锤；而内水从S地方向切换往C地方向的瞬间，则存在流速差ΔV，且速增方向与内水流速方向一致，对上游段内水来说是负水锤。

以下以一个水锤周期过程进行说明：

1)第一1/4水锤周期：开启第一通孔11和第四通孔22，同步关闭第二通孔12和第三通孔21。

第一PCCP管81内水流向下游提水管83，下游提水段的提水水速为V- ΔV，换流阀Y处第一进水室101内压力由P增加到P+ΔP，上游第一PCCP管 81内升压波方向自换流阀Y向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由 V降至V-ΔV，为正水锤；

第二PCCP管82内水流向下游排水管84，下游排水段的排水水速为V- ΔV’(由于管道与内水介质弹性力产生的速降)，换流阀Y处第二进水室102内压力由P降到P-ΔP，上游第二PCCP管82内降压波方向自换流阀Y 向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由上一周期的V-ΔV-ΔV’加速至V-ΔV’，为负水锤。

2)第二1/4水锤周期：保持开启第一通孔11和第四通孔22，关闭第二通孔12和第三通孔21。

第一PCCP管81内水持续向S地提水，下游提水段的提水水速保持V-Δ V，换流阀Y处第一进水室101内压力由P+ΔP降到P，上游第一PCCP管81内降压波方向自F地上游分流调压井1向换流阀Y传播，该段内水流速因PCCP 管的弹性力由V-ΔV降至V-ΔV-ΔV’，该段仍为正水锤；

第二PCCP管82内水持续向C地排水，下游排水段的排水水速保持V-Δ V’，换流阀Y处第二进水室102内压力由P-ΔP升至P，上游第二PCCP管82 内升压波自F地上游分流调压井1向换流阀Y传播，该段内水流速由V-Δ V’加速至V，该段仍为负水锤。

3)第三1/4水锤周期：关闭第一通孔11和第四通孔22，开启第二通孔12和第三通孔21。

换向后，第一PCCP管81内水流向下游排水管84，下游排水段的排水水速持续为V-ΔV’，换流阀Y处第一进水室101内压力由P降至P-ΔP，上游第一PCCP管81内降压波方向自换流阀Y向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由V-ΔV-ΔV’升至V-ΔV’，为负水锤，该过程与第一1/4水锤周期的第二PCCP管82经历的过程相同；

第二PCCP管82内水流向下游提水管83，下游提水段的提水水速为V- ΔV，换流阀Y处第二进水室102内压力由P升到P+ΔP，上游第二PCCP管82 内升压波方向自换流阀Y向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由V 将至V-ΔV，为正水锤，该过程与第一1/4水锤周期的第一PCCP管81经历的过程相同。

4)第四1/4水锤周期：保持关闭第一通孔11和第四通孔22，开启第二通孔12和第三通孔21。

第一PCCP管81内水持续向C地排水，下游排水段的排水水速保持V-Δ V’，换流阀Y处第一进水室101内压力由P-ΔP升到P，上游第一PCCP管81 内升压波方向自F地上游分流调压井1向换流阀Y传播，该段内水流速V-Δ V’升至V，该段仍为负水锤；

第二PCCP管82内水持续向S地提水，下游提水段的提水水速保持V-Δ V，换流阀Y处第二进水室102内压力由P+ΔP降至P，上游第二PCCP管82内降压波自F地上游分流调压井1向换流阀Y传播，该段内水流速由V-ΔV降至V-ΔV-ΔV’，该段仍为正水锤。

通过上述完整的水锤周期过程，第二PCCP管2与第一PCCP管1为水锤异步180度相位差提水/排水，也就是在第一PCCP管1在第三1/4水锤周期排水时，第二PCCP管2同步进行第一1/4水锤周期提水，即实现一个水锤周期内两个提水周期二者交替提水、排水的过程。这样的过程可循环可持续。

而水锤传播速度a、水锤周期2t可经由如下方程组计算获得：

t＝2L/a

其中，K——水的体积弹性模量，一般为2.06×10³MPa；

g——重力加速度，9.81ms^-2；

γ——水的重力密度，可取9.81KN/m³；

D——管道内径，下述实施例可取5.1m；

E——管壁材料的纵向弹性模量，钢材取2.06×10⁵MPa，铸铁取 0.98×10⁵Mpa，混凝土取2.06×10⁴Mpa，PE材料取900Mpa，总干项目区围岩E＝2～7×10⁴MPa。而土一般E≤40Mpa。

δ——管壁厚度，对硬岩隧道而言无穷大，但对浅覆盖软地层预应力混凝土管则取管的厚度。对于PCCP管埋管情况下的计算，可把式中δΕ换成砼δΕ、钢筋钢衬δΕ、围岩δΕ以及土δΕ之和。

——声波在水中的传播速度，随水温度和压力的升高而加大，一般可取为1435m/s。

t——水锤波(升压波+降压波)在水管中传播来回一次所需时间，即1/2水锤周期；

L——PCCP上游段的长度，即第一PCCP管81、第二PCCP管82的长度。

应用此方程组的目的为根据现有的客观参数理论计算确定水锤半周期，即换流阀的换流周期时间。而由于工况的变化以及理论计算的精度局限，实际运行控制水锤半周期时点则按传感监测水锤半周期对阀门组同步切换，且要求达到毫秒水平精度。

上述双PCCP管采用同步对称换流阀和滑行移动挡门实现对角两门两同步的打开，而同时另对角的两门进行同步的关闭，从而实现换流，阀门组同步切换产生对称(严格180度相位差)强制正、负工作水锤，避免事故水锤，可有效的保护提水系统及挡门，延长系统运行使用寿命。

本实用新型还提出一种采用2组三通换向阀的长距离双PCCP管路系统，如图6所示，其包含长距离双PCCP输水管(强制水锤波段)，上游段第一PCCP管81、第二PCCP管82均连接上游分流调压井1；2组Y型换向阀Y1、 Y2，Y型换向阀对2组PCCP管分别实现内水换流，每组三通换向阀Y1、Y2 的2个分支分别连接下游提水调压井2和下游排水汇流井3，即图中所示 Y1-S1段83、Y1-C1段84、Y2-S2段85、Y2-C2段86。在Y型(增强)管分流点处的三通换向阀，可如图7所示为分别设置在2个分支管路入口处的2个蝶阀91和92、93和94，通过2个蝶阀的交替启闭，实现2组PCCP交替衔接平稳的提水和排水。

同样的，以一个水锤周期过程进行说明：

1)第一1/4水锤周期：开启第一蝶阀91和第四蝶阀94，同步关闭第二蝶阀92和第三蝶阀93。

第一PCCP管81内水流向下游提水Y1-S1段83，提水水速为V-ΔV，三通阀Y1内压力由P增加P+ΔP，上游第一PCCP管81内升压波方向自三通阀 Y1向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由V降至V-ΔV，为正水锤；

第二PCCP管82内水流向下游排水Y2-C2段86，排水水速为V-ΔV’ (由于管道弹性力产生的速降)，三通阀Y2处内压力由P降到P-ΔP，上游第二PCCP管82内降压波方向自三通阀Y2向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由上一周期的V-ΔV-ΔV’加速至V-ΔV’，为负水锤。

2)第二1/4水锤周期：保持开启第一蝶阀91和第四蝶阀94，关闭第二蝶阀92和第三蝶阀93。

第一PCCP管81内水持续向S地提水，下游提水Y1-S1段83的提水水速保持V-ΔV，三通阀Y1处内压力由P+ΔP降到P，上游第一PCCP管81内降压波方向自F地上游分流调压井1向三通阀Y1传播，该段内水流速因PCCP管的弹性力由V-ΔV降至V-ΔV-ΔV’，该段仍为正水锤；

第二PCCP管82内水持续向C地排水，下游排水Y2-C2段86的排水水速保持V-ΔV’，三通阀Y2处内压力由P-ΔP升至P，上游第二PCCP管82内升压波自F地上游分流调压井1向三通阀Y2传播，该段内水流速由V-ΔV’加速至V，该段仍为负水锤。

3)第三1/4水锤周期：关闭第一蝶阀91和第四蝶阀94，开启第二蝶阀92和第三蝶阀93。

换向后，第一PCCP管81内水流向下游排水Y1-C1段84，此时排水水速为V-ΔV’，三通阀Y1处内压力由P降至P-ΔP，上游第一PCCP管81内降压波方向自三通阀Y1向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由V-ΔV- ΔV’升至V-ΔV’，为负水锤，该过程与第一1/4水锤周期的第二PCCP管 82经历的过程相同；

第二PCCP管82内水流向下游提水Y2-S2段85，此时提水水速为V-ΔV，三通阀Y2处内压力由P升到P+ΔP，上游第二PCCP管82内升压波方向自三通阀Y2向F地上游分流调压井1传播，该段内水流速由V将至V-ΔV，为正水锤，该过程与第一1/4水锤周期的第一PCCP管81经历的过程相同。

4)第四1/4水锤周期：保持关闭第一蝶阀91和第四蝶阀94，开启第二蝶阀92和第三蝶阀93。

第一PCCP管81内水持续向C地排水，下游排水Y1-C1段85的排水水速保持V-ΔV’，三通阀Y1处内压力由P-ΔP升到P，上游第一PCCP管81内升压波方向自F地上游分流调压井1向三通阀Y1传播，该段内水流速V-ΔV’升至V，该段仍为负水锤，该过程与第二1/4水锤周期的第二PCCP管82经历的过程相同；

第二PCCP管82内水持续向S地提水，下游提水Y2-S2段84的提水水速保持V-ΔV，三通阀Y处内压力由P+ΔP降至P，上游第二PCCP管82内降压波自F地上游分流调压井1向三通阀Y2传播，该段内水流速由V-ΔV降至V- ΔV-ΔV’，该段仍为正水锤，该过程与第二1/4水锤周期的第一PCCP管 81经历的过程相同。

通过上述完整的水锤周期过程，第二PCCP管2与第一PCCP管1为异步 180度相位差提水/排水，也就是在第一PCCP管1在第三1/4水锤周期排水时，第二PCCP管2同步进行第一1/4水锤周期提水，即实现2组Y型PCCP管路的交替排水、提水过程。

为提高阀门开关速度可以采用一阀门分割为多阀门的复门技术，通过使阀门旋转半径或滑行距离倍减而使阀门开关时间倍减或极大地缩短。

以下以地势较高的四平(S地)和地势较低的长春(C地)提水项目工程为例。

根据计算，双PCCP输水系统设置在分水枢纽上游(六标段)10公里处或大于10公里为佳，即上游为长10公里、截面为12.56m²的管道(若小于10公里，如8公里，换流开关速度快一点也可实现，但不是最佳实施例)，经计算水锤半周期为20秒，2根PCCP换流阀门组轮流交替关闭与交替开通，可在不间断给下游供水的情况下，利用2个上游段PCCP管内交替产生的半周期正水锤提水往四平的变频电机提水前池。水锤提水高度取决于内水流速的变化，25.0流量双管输水管流速1.0m/s，水库水位相对分水枢纽落差27米时(而相对下游提水调压井2水位则为17米)，原1m/s设计流速水库至分水枢纽压降11米；需提水16米，则要求内水流速变化约－ 0.15m/s，且根据水锤提水原理，内水流速V＝1.15m/s。

上游内水按水锤半周期在往地势较低的长春以及往地势较高的四平两方向间切换，提水管83内水流速即要瞬变低于1m/s流速临界时点切换往长春，另一管即要瞬变增速大于1.15m/s时点内水同步切换往四平，这也是启动水锤提水程序的安全流速约束性条件，而待下行流速更大再切换上行提水，其为涌浪提水或非稳定流提水，提水效率相对略低。根据上述水锤提水过程，工作提水流速V－ΔV，工作排水流速V－ΔV’，理论上－ΔV＝－ΔV’，所以任何工况下水锤提水量与往下游排水量之比约为1：1；如－ΔV’很小趋于0，则提水量与排水量之比趋于1：1.15，此时水锤提水效率＝提水流速/排水流速≥0.869，即水锤愈大效率愈小，而弹性速变愈大效率愈高。随着水库水位的提高，水锤提水量越大，提水扬程也越大。为了保护PCCP管，水锤提水扬程需进行相应控制，即设置分流井最高工作水位，也相应设置最高提水扬程。具体的说，当水库水位相对分水枢纽落差27～35米时，可实现向四平水锤提水自流。为使水锤提水稳定并安全运行，对水库相对分水水头大于28米以上的富余水头转换成电力，实际仅用其27～28m水头进行水锤提水，而落差14～27米时可提水到相应高度，年节约电力约3000余万度。

另外，蝶阀或同步对称换流阀管布置在抗冲击的岩质山体镇墩内，且一定长度内的管段使用增强的PCCP管与金属管，可抗震抗水锤。阀体的上游段设置内水流速传感器、压力传感器，以助确定调整各种工况下的蝶阀开关或换流阀换向时点，而阀开关或换流切换周期与PCCP管段水锤周期需保持严格一致。

20秒水锤半周期使内水换向实现下行提速、降速提水的可持续循环成为可能。所需高性能换向闸阀要求：2套三通换向阀的2提水出口尽量靠近(2排水亦同样尽量靠近)使换向出水间隔滞留水体最小化，或者2 套阀提水出口对称等径接提水井；三通换向通路不缩径；一开一关2个蝶阀始终保持相位差90度实现阀内换向间隔滞留水体死角最小化，皆利避免不利水锤。

本实用新型利用水锤提水，不仅利用了分水枢纽上游段的水能，而且也利用分水枢纽下游水能提水，因而总水能转换会高于常规水锤泵。双PCCP管内水交替压力的变化不逾越分流节点(即分流井节点，要求阀门组切换同步，两PCCP管弹性对称)，即两管内水水锤波过分流节点叠加抵消，但会(进入提水管排水管并)过下游汇流节点；即使PCCP裂纹后也能相当的程度上抵消(毕竟是正负水锤波叠加)，需要对紧上游紧下游进行必要的结构加强。

上述水锤提水方案不仅利用了分水枢纽上游段109公里(落差11～35 米；设计1m/s流速压降11米)水能而且也利用分水枢纽下游往长春段7.83 公里(1.74米高差)水能提水，因而总水能转换会高于常规水锤泵水能转换，系统水能转换利用与提水分水以上水能之比(即系统提水效率) 大于86％，由于水锤本身是管材与水的弹性产生的，弹性力本身没有能耗，也是内水流速耗能。根据上述方案，相对1m/s内水流速10公里1米水头的能耗水平而言，PCCP管提速下行半周期的负水锤1/4周内水平均流速 0.925m/s减少能耗7.5％，但其弹性力提速1/4周内水流速平均1.075m/s增加耗能7.5％；而提水半周的正水锤速减1/4周以及弹性力速减1/4期同样分别相对增耗减耗；故水锤提水总体与1m/s稳定工作流速工况能耗相当，如此，水锤提水效率可以非常接近100％。但水锤波传播能量会辐射到管外周与覆盖非完全弹性体而损失，也因遭遇摩擦阻力水锤波衰减，考虑下游水头工作流速富余0.957m，预期系统提水效率≥0.869(1+0.957/16) ＝92.1％。输水长春干管1m/s设计流速时富余的3～24米水头，要求出口控流(消能控流/射流控流)；如水机水泵提水，设备结构复杂，2次能量转换，效率低；而本专利利用水锤提水，长春方向调水量本身所蕴含的水能可得以充分利用。

进一步的提出工作水锤稳定控制的技术：接力提水模式情况下，则变频电机提水采取提水水锤即提水井水位稳定恒定优先的传感反馈控制方式，以保护分水上游管道隧道系统。纯水锤提水模式情况下，提水井溢流口或溢流槛高程相对稳定来控制。而如上相对稳定固定的水位根据上游水位工况，按照本专利提出的理论计算，使提水工作流速、提水扬程与上游水位匹配，以保证按最大能力提水、并保证提水工作水锤稳定。对提水井出水溢流口或溢流槛采取内外套筒溢流口与可调节溢流槛结构，液压进行上升与降低的控制。使2对换流阀门组高速同步开关(即要求毫秒水的同步，开关时间0.2秒水平)，并且提水门与排水门开度之和恒等于全开，以及两提水阀门或两排水阀门开度之和恒等于全开是保证提水工作强制水锤稳定的技术保障。

进一步提出排水稳定技术：排水管隧道，如引松工程长春干线圆形入河道出口，应进行等横截面面积椭圆扁平化与喇叭口渐变(抑制水锤反射)，浸没在较大的溢流坝拦蓄水体里，使排水管段内水相对河道溢流面平均落差≧0.783m，调节溢流水位使管段落差与工作排水流速匹配(工作流速情况下排水管段无水头不足即无连续微缝负水锤下行，也无水头富余即无连续微缝负水锤上行)，以保证图1所示PCCP内水下行汇流点C到入河道出口段不因提水切换强制压力波动影响导致在出口段脱水，C节点非调压井无自由水面，这样会利于水锤提水系统平稳运行。

进一步对提水稳定性预期：因为提水周期与开关时间之比在100水平，即水锤提水微缝衔接在时间上有1％的影响，而速度变化如上计算约 15％，速度的变化是连续的变化，因此换流期间速度平均变化约7.5％，而阀门切换水锤衔接时间缝隙对提水周期提水量的影响在0.75‰水平。

进一步提出分流井与上游隧道防护技术：首先保证强制水锤段上行正负水锤对称，包括水锤对称的衰减，基本建设时对PCCP进行检测调整，保证2PCCP弹性对称，使水锤相遇叠加得到最大程度的抵消或湮灭；第二项措施，对分流井工作水位段进行扩径，使水锤在一定的时差内皆能得到叠加抵消；第三项措施，对分流井与紧上游隧道适当结构加强抵抗一定的水锤冲击。

Claims (9)

1.一种长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，包含F地的上游分流调压井(1)或水源水库、S地的下游提水调压井(2)、C地的排水汇流井(3)，三地中间设置换流阀(Y)，所述上游分流调压井(1)与换流阀(Y)间通过2个并行的PCCP管(81、82)连通，该段为上游段，所述换流阀(Y)与下游提水调压井(2)通过下游提水管(83)连接，所述换流阀(Y)与排水汇流井(3)通过下游排水管(84)连接，其中S地的地势高于F地和C地的地势。

2.如权利要求1所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，所述换流阀(Y)为同步对称换流阀，其包含进水腔(10)和出水腔(20)，二者通过主隔离壁(30)间隔开，该主隔离壁(30)上设置有第一通孔(11)、第二通孔(12)、第三通孔(21)及第四通孔(22)，第一通孔(11)与第四通孔(22)对角设置，第二通孔(12)与第三通孔(21)对角设置；

所述进水腔(10)包含第一进水室(101)和第二进水室(102)，二者通过进水室隔离壁(13)间隔开，第一进水室(101)的入口为第一进水孔(41)，出口为主隔离壁(30)上的第一通孔(11)和第二通孔(12)，第二进水室(102)的入口为第二进水孔(42)，出口为主隔离壁(30)上的第三通孔(21)和第四通孔(22)，该第一进水孔(41)、第二进水孔(42)分别与上游段的2个PCCP管连通；

所述出水腔(20)包含第一出水室(201)和第二出水室(202)，二者通过出水室隔离壁(23)间隔开，第一出水室(201)的入口为第一通孔(11)和第三通孔(21)，出口为第一出水孔(51)，第二出水室(202)的入口为第二通孔(12)和第四通孔(22)，出口为第二出水孔(52)，该第一出水孔(51)、第二出水孔(52)分别与下游提水管(83)、下游排水管(84)连通；

主隔离壁(30)的进水室侧还设置有用于阻挡水流通过的4个可启闭挡门，每个挡门各对应一个通孔，所述挡门面积大于通孔面积。

3.如权利要求2所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，所述挡门通过滑动的方式实现通孔的启闭，主隔离壁内设置定子，每个挡门均内置有与所述定子对应的直线电机动子，并由直线电机定子驱动滑行按水锤节律开关。

4.如权利要求2所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，所述对应第一至第四通孔(11、12、21、22)的挡门分别为第一至第四挡门(111、121、211、221)，上排的第一挡门(111)、第二挡门(121)间隔设置，下排的第三档门(211)、第四档门(221)间隔设置，所述上排第一挡门(111)、第二挡门(121)与下排第三档门(211)、第四挡门(221)同步反向往复运动，交替阻挡第一通孔(11)和第四通孔(22)，或第二通孔(12)和第三通孔(21)。

5.如权利要求2所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，所述对应第一至第四通孔(11、12、21、22)的挡门分别为第一至第四挡门(111、121、211、221)，其中1个挡门不移动备用，另3个挡门以品字形或倒品字形同步同向往复运动，交替阻挡第一通孔(11)和第四通孔(22)，或第二通孔(12)和第三通孔(21)。

6.如权利要求1至5任一所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，双PCCP输水距离水锤半周期大于组合阀切换换流时间2个数量级水平，双PCCP输水距离大于或等于10km。

7.一种长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，包含F地的上游分流调压井(1)或水源水库、S地的下游提水调压井(2)、C地的排水汇流井(3)，三地之间通过2组并行的Y型PCCP管连接，每组Y型PCCP管的上游段连接上游分流调压井(1)，下游的两个分支分别连接下游提水调压井(2)和排水汇流井(3)，每组Y型PCCP管的分流点设置三通换向阀(Y1、Y2),其中S地的地势高于F地和C地的地势。

8.如权利要求7所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，所述每个三通换向阀包含分别设置于Y型PCCP管2个分支入口的2个蝶阀。

9.如权利要求7或8所述的长距离双PCCP输水提水系统，其特征在于，双PCCP输水距离水锤半周期大于组合阀切换换流时间2个数量级水平，双PCCP输水距离大于或等于10km。