長距離有壓流輸水管道水錘計算及防護設備研究進展

徐 燕，李 江

(1.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.自治區寒旱區水資源與生態水利工程研究中心(院士專家工作站)，新疆 烏魯木齊 830000)

我國水資源的特點是，北方大部分地區嚴重缺水，南方少數城市也有自然雨水不足的問題，部分地區地下水超采嚴重，且由于海水入侵，部分城市的地下水污染嚴重。為了緩解這一緊張的供水矛盾，跨流域調水、遠距離取水近年來建設突飛猛進。如南水北調工程、引欒入津工程、北京第九水廠供水工程、東深供水工程、羅布泊鉀鹽供水工程等。這也帶動了管道供水工程技術及發展。在長距離供水工程中成功的關鍵就是管線可以安全的運行，此類工程如發生一次水錘，就可能引起爆管事件的發生，將會對人民的生命財產安全造成不可估量的損失，所以必須對供水安全問題給予高度的重視。

水柱分離是有壓管流中出現空穴(空管段)時的一種水擊現象[1]。如果工程設計中不做好水錘防護設備的布置及選型，會發生嚴重的爆管事故。水錘防護是防止水錘現象的發生，并將水錘危害程度降到最低。當發生水錘升壓，或出現負壓時，如何采用合理的水錘防護設備，并采取合理的關閥時間，控制水錘升壓，或消除負壓，是長距離有壓流輸水工程安全運行的關鍵問題。

目前水錘防護通用防護措施，主要有空氣閥、止回閥、超壓泄壓閥(安全閥)、空氣蓄能罐、單向調壓塔、雙向調壓塔等[2]，本文將重點介紹不同水錘防護設備的研究進展及未來發展的趨勢。

1 水錘分析計算研究進展

水錘問題與波速有著直接的關系，牛頓和拉格朗日最早提出了波速的公式[1]，歐拉建立了彈性波傳播理論并推導了波傳播的偏微分方程，1789年，蒙吉[3]提出了偏微分方程的圖解法，提出了特征線法。1858年，Korteweg[4]提出在計算波速時要同時考慮管道和流體的彈性。1876年Resal在運動方程和連續方程的基礎上，提出了二階波動方程。1858年，意大利工程師門那布勒(Menabrea)[5]首先對水錘問題進行了研究，完成了水力過渡過程的基本理論，奠定了彈性水錘理論的基礎。1898年，俄國著名空氣動力學家儒科夫斯基(Joukowski)[6]給出了直接水擊壓強的計算公式。1902年，意大利工程師阿列維(Allievi)[7]給出了不穩定流動的基本微分方程，得到了末相水擊的計算公式，奠定了水擊計算的理論基礎[1]。目前水錘分析的基本理論一直在使用儒科夫斯基和阿列維提出的計算公式，但隨著行業的發展，提出了液柱分離、兩相流過渡流等計算問題。

設計上關心的管道水錘問題主要有兩大類，一類是重力流輸水過程的末端關閥產生的水錘，一類為揚水工程中的事故停泵工況或啟泵工況產生的水錘。水錘分析計算的基本理論已經非常成熟，主要分為剛性水錘理論、彈性水錘理論、水錘壓力波的反射和干涉。水錘基本微分方程式由運動方程和連續方程兩部分組成，該方程式是全面表達有壓流中非恒定流動規律的數學表達式，是一維波動方程的一種形式[8]。

水錘計算的方法主要有圖解法、數值計算方法，其中數值計算方法主要利用特征線方程或波特性方程對不能直接求解的流動暫態微分方程組，進行轉化，使用計算機編程上機運算。國內基本上都在使用特征線法進行水錘計算分析，美國肯塔基大學Don.J. Wood 教授提出的波特性法，以瞬態管流源于管道系統水力擾動所產生壓力波動的發生和傳播這一物理概念為理論基礎，通過追蹤水錘波的發生、傳播、反射和干射，計算各節點不同時段的瞬態壓力值[9]。拉格朗日波特性法，具有特征線法所不具備的高效計算速度，主要體現在大型管網水力計算時的速度優勢非常大。

水錘波動全過程包括壓力波的產生、傳播、反射、干涉乃至消失，當管流中出現水柱分離時，會引起更加復雜的物理過程。水錘波波速計算是一個復雜的過程，要準確地計算出波速的大小非常困難。到目前為止，還沒有一種能精確計算波速的方法，都是近似計算[10]。因此對水柱分離及水錘波速的計算未來仍然需要進一步研究。

2 常用水錘防護設備

2.1 調壓塔

可分為單向調壓塔、雙向調壓塔、箱式雙向調壓塔3種類型，其中單向調壓塔可防止產生負壓，是降低斷流彌合水錘升壓的防護設備，一般在泵站附近或管道的適當位置修建，可設置于輸水管線的主要特異點處，如駝峰點、折線頂點等，設計上主要考慮如何消除水錘發生時產生的斷流空腔，正壓升高一般利用超壓泄壓閥泄壓，達到防止管道升壓的目的[20]。雙向調壓塔是一種兼具注水與泄水緩沖式的水錘防護設施，其典型特征是塔(井)與管道貫通連接，當壓力輸水管道中壓力降低或升高時，雙向調壓塔向管道補水或管道中的高壓水進入塔中，有效防止水錘的發生，構造簡單，效果好[12]，設計中應注意：塔應有足夠的容積和斷面面積，在停止或啟動水泵過程中，塔內的水位變動不大；應當設置在可能產生負壓的管道高點或折彎點；當塔距離泵站較遠時，應考慮泵站與塔之間的水錘問題[11]。箱式雙向調壓塔是我國自行研發的水錘防護設備，具有泄壓和補水功能，其調壓原理是：采用上下不等面積活塞增壓原理，達到活塞的動態平衡，依靠活塞的運動，打開或關閉泄水口，從而保護管道安全[11]，其主要性能特點是①防水錘泄壓溢流性能高，安全可靠；②泄壓動作回位誤差小；③動作靈敏，反應迅速，對任何水錘都有良好的防護效果；④當管道內出現負壓時，該調壓塔可迅速向管道內補水，以防止水柱拉斷，產生斷流彌合水錘[11]。

2.2 空氣蓄能罐

在電站氣墊調壓池的設計基礎上，逐步研發出了空氣蓄能罐水錘防護設備，該罐能夠應對管道瞬態工況下的高壓和低壓危害，與雙向調壓塔具有相同的貫通結構，可以極大化的減小管道壓力波動頻率和振動，還可以適用于各種壓力工況和安裝位置。按照其充氣方式和內部結構，可分為壓縮空氣罐和內膽消除罐等。

(1)壓縮空氣罐。是在內部充入一定量壓縮空氣的金屬水罐裝置，一般直接安裝在水泵出口附近的管道上，如圖1所示。當發生水錘時，利用罐內的空氣壓縮或膨脹，防止管道水錘升壓或負壓，消減停泵水錘危害[13]。通常情況下，空氣容積占罐總容積的20%～25%，罐內預充壓力為水泵揚程的80%～90%，壓縮空氣罐的液位需要監測，當液位低于設定液位時，需要空氣壓縮機向罐內補充空氣，如圖1所示。

圖1 壓縮空氣罐原理示意圖

(2)內膽式水錘消除罐。由橡膠隔膜罐改進，早期的橡膠隔膜罐主要用于小型的配水管網。隨著科技的不斷發展，法國CHARLARTTE公司制造出丁基橡膠內膽鋼制水錘消除罐，并在大中型管道中進行了應用，其水錘防護性能可靠。目前內膽式水錘消除罐的制造容量已達120m3，為大型揚水泵站和中小型水電站調保安全防護應用提供了可能。當發生停泵水錘時，管道中壓力急降時，內膽膨脹或回縮，將內膽或罐體內的水壓入管道系統，起到補水穩壓作用。當反射回來的正壓波到達時，內膽壓縮或膨脹，起到氣墊消能作用，使水錘波動幅度平緩。內膽式水錘消除罐有兩種型式，如圖2所示。

圖2 內膽式水錘消除罐示意圖

從圖1可以看出，壓縮空氣罐中空氣與水直接接觸，隨著運行時間的增加，空氣會不斷的溶于水中，致使空氣罐的緩沖能力減小，需要管理人員定時補充空氣；由于運行過程中，空氣不斷的溶于水中，使得管道中水的溶氣量增加，致使空氣有可能在管道的低壓段逸出，形成氣阻，聚于管道高點或變坡點，如該點無空氣閥有效排放空氣，則會造成氣堵，影響輸水經濟性[22]。加之壓縮空氣罐還需配套空氣壓縮機，無電區域無法使用。內膽式水錘消除罐水與空氣無接觸，避免了空氣在水中的溶解，罐內或內膽內的壓力穩定。

2.3 安全泄放閥

安全泄壓閥是一種自動閥門，當管道發生水錘時，不借助任何外力，當閥前壓力大于設定的壓力時，閥門會自動開啟，避免管道水錘壓力超過預設壓力；當管道壓力小于設定壓力后，閥門自行關閉[14]。輸水工程中常用的安全泄壓閥主要包括直動式泄壓閥、先導式泄壓閥和水錘消除閥3種。

(1)直動式泄壓閥。也稱直動式安全閥或彈簧式安全閥，一般僅靠直接的機械加載裝置，如重錘、杠桿加重錘或彈簧來克服閥瓣下介質壓力所產生的作用力，輸水中主要采用彈簧加載式。當管道內壓力大于彈簧整定壓力時，水壓頂起閥瓣，水流由泄壓口排放；用于氣體介質泄放效果要好于液體介質。

(2)先導式泄壓閥。是在水力控制閥基礎上研制出的安全泄壓設備，閥門由主閥和導閥兩部分組成。當系統內壓力大于導閥設定值時，系統壓力克服導閥張緊力，導閥滑閥向上移動，把主閥隔膜腔內水壓導通主閥排水口或大氣，主閥開啟泄壓。

直動式和先導式相比較，在控制上都是采用了彈簧作為壓力整定組件，但在開啟和關閉特征上區別較大，如圖3所示，直動式泄壓閥在開啟的初期，開度與壓力呈較為近似的線性關系，而先導式泄壓閥，一旦開啟后會快速的達到全開，泄放效果要優于直動式泄壓閥，先導式泄壓閥有一個導閥泄壓過程，泄壓靈敏度不如直動式泄壓閥，但是先導式泄壓閥可通過調節隔膜腔充壓速度，來控制主閥的關閉速度，可最大化的避免直動式泄壓閥容易出現的突跳，和回座所產生的關閥水錘事故。先導式泄壓閥具有快開慢關的特點，在輸水管道系統中，對于超壓持續時間超過5s以上的高壓危害工況防護效果較好，其泄壓后的關閉時間參數設定，是管道瞬態仿真模擬的重要因素。

(3)水錘消除閥。在國外被稱之為壓力波動預止閥，是在先導式泄壓閥基礎上根據瞬態特征研制的一款安全泄壓防護設備。由高壓導閥、低壓導閥、手動關閉閥桿和主閥組成。可分為液動型水錘消除閥和電控式水錘消除閥。其中液動型水錘消除閥在管道充水時可由手動關閉閥桿關閉，以避免充水低壓泄水，在管道充水后打開，高壓導閥和低壓導閥在正常運行壓力和靜壓下都保持關閉，主閥也保持關閉狀態。當斷電停泵發生時，管道首先產生較大的壓降，當低于低壓導閥設定低壓值時，低壓導閥彈簧克服水壓復位，導通主閥隔膜腔與大氣外界通路，主閥開啟泄水，管道壓力上升至低壓設定值時，低壓導閥關閉，在高于高壓導閥設定值時，高壓導閥開啟，主閥再次泄水，在瞬態壓力波動的整個過程中該操作自動重復進行，直到壓力平穩至靜壓，水錘消除閥進入到關閉待用狀態。在陡峭和距離較短的揚水管道系統或水電站壓力引水管中，為避免導閥反應速度慢的問題，一般采用電控式水錘消除閥。

圖3 直動式泄壓閥、先導式泄壓閥的開啟和關閉特征

普通泄壓閥在水錘發生時，需要一個高于設定壓力的持續存在，才能打開泄壓閥泄放高壓，但多數情況下由于瞬態過程的危害高壓是以瞬間波動的形式出現的，往往會造成泄壓閥反應遲緩，無法打開或完全開啟，導致管道的薄弱點爆裂或內部損壞，因此，泄壓閥不完全適用于所有揚水泵站系統中的安全防護。

2.4 空氣閥

按用途進行分類，可將空氣閥分為低壓進排氣閥、高壓微量排氣閥、組合式空氣閥[20](同時具備微量排氣和高速進排氣的功能)、具有防水錘功能的空氣閥[15]。

(1)低壓進排氣閥。能夠在管道充水時大量排氣；在管道放空或出現水柱分離，或管道發生負壓時大量進氣(防止管道潰管)。在充水過程中，當閥內的水位上升，將浮球頂起，空氣閥就完全關閉，當閥內的氣壓低于外界大氣壓時，才能再次打開。浮球不應被高速流動的空氣吹上去而密封住排氣口；當管道壓力低于大氣壓時，應及時向系統補充空氣，以平滑的方式排出空氣，以減少系統的壓力波動[25]。

(2)高壓微量排氣閥。能夠在管道持壓工況下排氣，是為了彌補低壓進排氣閥在管道系統有壓流條件下，無法開啟排氣而設置的，主要用于壓力條件下連續排出管道內空氣，由于排氣口徑非常小，通常口徑在1mm左右，被稱為針孔排氣閥。建議不要單獨將其應用于需要消除負壓工況的系統中，因為雖然此型排氣閥可以在真空狀態下進氣(真空止回閥除外)，但其進氣量對于需要大量、高速進氣的系統來說過小。

(3)組合式空氣閥。是將低壓進排氣閥和高壓微量排氣閥組合為一體，兼有兩種排氣閥的功能，通常情況下該閥能夠應對排空、進氣和帶壓排氣等需要，但由于高壓微量排氣閥排氣孔徑小，易堵塞的問題很突出，以及低壓進排氣閥容易封堵失效，漏水現象在應用中非常普遍，對用戶造成很大的困擾，同時在水錘防護、原水或污水進排氣和防凍等特殊需求場合，還需要其他結構和功能的空氣閥，但幾年來隨著空氣閥技術的不斷進步，在功能、性能和質量上都得到了較高的提升[16]。

(4)防水錘型空氣閥。也稱三級緩閉型防水錘空氣閥，是針對水錘控制的性能需求開發出來的特殊功能空氣閥，與普通復合式空氣閥相比增加了一個限流排氣組件，空氣在管道內的排氣為限流盤、低壓進排氣浮球和高壓微量排氣浮球三級緩閉排氣過程，在有可能發生斷流彌合水錘工況的管道上使用，可提高系統安全，降低水錘防護總投資。

2.5 止回閥

止回閥又稱單流閥、單向閥、逆止閥、背壓閥。止回閥屬于自動閥門類，其主要作用是防止介質倒流、防止泵及驅動電動機反轉、防止水從容器泄放。主要用于水單向流量的管道上，只允許一個方向流量，以防止發生事故。目前有幾種類型的止回閥，分別為兩階段關閉蝶閥、水泵自運控制閥、球形止回閥、靜音式止回閥。

在水泵出水端安裝止回閥的目的是阻止水的倒流。止回閥關閉速度、關閉方式關系到流態變化導致水錘的程度，因而形成快速關閉與緩速關閉的兩種對策。快速關閉的論點在于水錘未形成前就迅速關閉，也就是當斷電停泵瞬間，水流由正向流、減速正向流、停頓、倒流、加速倒流的變化過程中，倘若止回閥在水流停頓時關閉是理想的，形成的停泵水錘微小，達到預防水錘的功能，符合這一論點的是靜音式止回閥。緩速關閉的論點在于止回閥采取快閉、慢閉兩個階段，在慢閉階段讓水部分回流到水池，消除或減輕停泵水錘的能量，符合這一論點的是各種形式的緩閉止回閥、緩閉蝶閥、水泵自動控制閥。

通常在以下管路上設置止回閥：①用水系統的進水管上；②密閉的水加熱器或用水設備的進水管上；③水泵水管上；④進出水管合用一條管道的水箱、水塔、高位水池的出水管段的適當位置。

3 不同水錘防護設備研究進展及應用實踐

對于不同的有壓流輸水工程，都有自身的特點，如長距離、大落差、大管徑、地形起伏變化大等問題，這就需要設計者結合工程的特點，綜合考慮管道的水錘防護設計。調查研究發現，在有壓流輸水工程中的管道沿線設置的水錘防護設備各有不同，可謂是百花齊放。許從愿，王娟等[17]認為復合式進排氣閥對管道的安全運行及其重要，管道中排氣或吸氣與大氣壓有一定的關系，活塞式調節閥可調節輸水管的輸送水量，并通過其關閥時間的調整可有效防止水錘發生。侯波[18]認為對于重力流長距離、多起伏、大管徑輸水工程，為防止管道發生水柱分離與斷流彌合水錘，在合適位置設置雙向調壓塔，并配備進排氣閥，控制管道末端的閥門關閉時間，可解決管道的安全防護問題，并能降低經濟造價。張玲[19]在大西溝引水工程中針對管線最長、管徑最大、靜水壓最大的二級管線進行了分析，采用空氣閥、三級緩排式空氣閥、集氣罐、超壓泄壓閥及末端的調流消能等5種水錘防護設備，認為各級管線末端選取最小關閥時間為2min，以保證管線滿足瞬態運行要求。劉建華，刁美玲等[20]認為高揚程泵站工程中，在水泵出口處設置氣壓罐，并沿管線設置緩閉式空氣閥，能夠有效緩解水錘壓力。張曉旭、辛亞東等[21]在興和縣綜合物流園區供水工程中采用氣壓罐、液控緩閉止回閥解決水錘防護問題；任寶紅[22]在南溝門水庫北線供水工程二級泵站上采用兩階段關閉止回閥、壓力罐、水擊泄放閥、空氣閥解決水錘防護問題；尹文靜[7]認為在長距離輸水管道中選擇普通排氣閥和箱式雙向調壓塔作為水錘防護措施，能保障供水安全；邢海仙等[23]認為液控止回閥可有效緩減管線的水錘壓力，但當管線出現多起伏狀態，發生彌合型水錘時，只設置液控止回閥不能起到有效的防護效果，提出使用液控止回閥、水錘預防閥、水錘型空氣閥的組合防護方案，控制長距離輸水管道中的彌合型水錘的發生。李江等[24]認為在長距離、高揚程泵站揚水工程中，可使用液壓緩閉止回閥、防水錘空氣閥、水錘消除罐、水錘消除閥，解決停泵水錘發生時的水錘防護，以保障管道安全運行。孫巍等[25]認為采用活塞式調節閥、緩閉氣缸式進排氣閥、末端液控蝶閥配合，可消除水錘的發生，防止爆管。蔣琳琳等[26]認為空氣閥、超壓泄壓閥組合防護，可有效減小水錘壓力。

從上述研究成果可以看出，長距離有壓流輸水管路水錘防護措施一般均采用組合式防護方案。設計計算中需比較分析各種防護措施的特性，結合工程的自身情況，合理布置，分析優化綜合防護措施及其參數。本文收集了新疆長距離有壓流管道水錘防護設備的組合防護措施，見表1—2。

4 水錘仿真分析及防護設備未來發展趨勢

4.1 水錘仿真分析

管道有壓流輸水工程中水錘仿真分析應分為兩個階段，一是工程前期設計階段的水錘分析計算，二是工程建成后，利用自動化控制采集的各種數據，進行在線水錘分析計算。前者主要服務于設計單位，后者主要服務于運行期的管理部門，為運行管理人員提供可操作性的管護方案。

從工程前期設計的角度考慮，有壓流輸水工程的復雜程度在不斷的增加，管網變得越來越復雜，必須利用水錘分析計算來優化管道設計，確保管道運行安全，這會使設計部門對從事水錘分析計算單位的能力提出更高的要求。從目前的計算市場情況來看，主要采用C++等語言編程、國內開發軟件、國外商用軟件(主要有Bentley Haestad HAMMER、KYPipe、InfoWorks等)進行計算。從自編程序或軟件自身來說，都具備水錘計算的能力。但往往從工程重要性的角度考慮，設計單位會委托幾家不同的水錘分析計算單位同時計算一個有壓流輸水工程，而計算的結果千差萬別，常不具備可比性，主要的原因是計算時使用的防護設備不同，即便是設計單位要求在固定位置使用相同防護設備，也會出現計算偏差很大的問題，這說明邊界條件選取不一致，對設備不了解。因此未來亟需對水錘分析計算提出統一的要求，讓計算人員了解不同的水錘防護設備，并制定出相關的標準，規范市場。

表1 新疆揚水泵站工程水錘防護設備組合一覽表

表2 新疆重力流工程水錘防護設備組合一覽表

從運行管護的角度出發，未來發展的方向是與輸水工程的自動化平臺進行數據對接，實現對運行管道的水錘進行實時計算分析，給出運行故障診斷分析，為運行管理部門提出各種閥門的控制指標，實現管道智能化運行。目前國內已經出現了長距離輸水水力控制計算機仿真技術，但發展歷程較短，1998年楊開林[27]和北京仿真中心合作開展了引黃入晉工程全系統運行的水力學計算機仿真研究，丹麥DHI研究院為該工程研制了實時仿真平臺，供運行調度使用。2004年楊開林[28]提出了調水工程水力控制仿真系統的體系結構及其內涵，介紹了計算機數字三維仿真平臺，以及仿真系統的功能；王濤和楊開林[27]建立了管道、泵站及前池明渠輸水系統的水力控制狀態模型，在數字仿真平臺上對所建立的調水工程全系統進行了動態仿真模擬。王光謙[27]等在2007年通過對南水北調中線一期工程，建立了水力控制的系統理論與模型，實現了水力模型計算與可視化仿真同步交互。但這仍是一個新的發展方向，有許多問題需要進一步的分析研究，如何實現水錘在線監測，預判設備的開度，關閥時間、預測各分水口的水量等。

4.2 水錘防護設備

隨著有壓管道輸水工程不斷發展，工程的難度越來越大，水錘防護設備中新型的止回閥、空氣閥、空氣蓄能罐、安全泄壓閥等水錘防護設備在一些供水工程中得到了應用，但這些設備的防水錘效果值得我們結合實際工程進行研究。如靜音止回閥可在小于1s內快速關閉，對水泵機組的反轉保護效果非常好，對管道沿線的水錘防護效果也非常明顯；內膽式水錘消除罐可以自動控制泵站的開啟、停泵，對管道沿線的水錘波進行正壓吸收，消除負壓，作用明顯；水泵控制閥可以實現自動開啟、關閉，對水泵的保護作用顯著，但水錘分析計算中無法模擬小口關閉的過程，存在計算誤差。在未來的研究中應對靜音止回閥、內膽式水錘消除罐、水泵控制閥在工程中的防護效果，工程適用性，進行深入的研究。

水錘在線監測一直是管道輸水行業追求的目標，如何完整的界定和監測到水錘波動幅度、頻率、時長和時間節點是一個難題，選用常規的傳感器和監測技術無法實現，經調查，目前這種特殊的檢測設備和系統軟件由美國壟斷，國內應盡快開發具有自主知識產權的水錘防護設備輔助在線監測系統和設備，促進我國水錘發生機理的深入研究。

5 展望

(1)水錘分析計算不管在前期設計階段還是后期的運行管護階段，其分析都是非常重要的，這需要設計者和管理者高度重視，在設計階段我們要重視水錘計算分析，對設計中采用的防護設備，要進行水錘分析計算；對選定的防護設備，要求不同的計算單位在選定的位置上進行同等深度的計算，要求計算時邊界條件要一致，否則計算的結果會出現較大偏差。對管理者而言，要對設計階段的水錘計算分析成果進行復核，利用施工后運行的實際參數進行水錘計算復核，提出各種防護設備的操作規程，指導工程運行。

(2)輸水管道行業目前采用的水錘分析計算軟件或程序，多種多樣，目前輸水管道分析計算方面的規程規范在我國是一個空白，研究人員應考慮規程或規范的編制，規范邊界條件的選取、不同水錘防護設組合問題、防護設備位置選擇、輸出結果的表達式等，以更好的指導工程設計。

(3)對新型的水錘防護設備，要以實施的項目進行跟進，對防護設備的效果進行分析研究，使新型設備能夠更廣闊的應用。建議建立國家級試驗研究平臺，監測設備不同運行工況的性能，規范設備選用。

(4)長距離輸水管道工程水力控制仿真模擬平臺的建設，會帶動水行業向智能化方向發展，望引起高度的重視。