长距离有压调水工程空气罐水锤防护研究进展

翟雪洁,王玲花

(1.华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州 450045；2.浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

近年来，人们对水的需求随社会发展不断增加，但淡水资源时空分布不均，且水污染问题加重，水资源的供需矛盾逐渐升级。为了解决这一矛盾，国内外修建了大量的长距离调水工程，把水从资源丰富的地区引送到资源短缺的地区[1]。长距离调水工程具有支线多、流量大、线路长等特点，调水系统中容易出现水力过渡过程现象，从而产生水锤问题，不仅对水泵机组产生破坏，还会产生管道爆裂，对整个调水工程造成严重破坏。当前，调水工程规模越来越大，调水系统日趋复杂，水锤防护问题日益突出，越来越多的科研设计与运行管理人员开始重视水锤防护问题。

有压调水系统水锤防护措施主要有双向调压室、溢流式调压室、单向调压室、空气罐、空气阀、超压泄压阀、爆破膜、旁通管、减压阀等[2,3]。其中，调压室防护一般用于低扬程、大流量的长距离调水系统，对于高扬程系统而言，采用调压室造价高；空气阀可以控制液柱分离的产生，但其水锤防护性能受多种因素影响，可靠性不高[4]；超压泄压阀、爆破膜、旁通管等，一般作为辅助的水锤防护措施；传统空气罐的上部为压缩空气、下部为水，底部通过短管与管道连接。发生事故停泵后，罐内气体迅速膨胀，空气罐向管道补充水，减小管道负压，当管道内压力升高时，压力迫使水进入空气罐，罐内气体被压缩，由此减小管道压力升高。空气罐与其他水锤防护措施相比，能有效降低管道正负水锤，工作可靠，在高扬程、小流量调水工程中水锤防护效果显著[5]。

1 空气罐结构型式研究

目前，空气罐主要有三种型式：常规空气罐、空气阀调压室和带有中心竖管的空气罐。魏振荣[6]介绍了空气罐的工作原理，列出空气罐的主要结构型式，给出其水锤防护的数学模型，并结合实际工程验证了空气罐在有压管道输水系统中能够有效的消除管线中的水柱分离，水锤防护效果显著。在常规空气罐中，除了传统空气罐外，还有气囊式空气罐，其内部有一个整体的气囊，其中，气囊式空气罐又分为三种类型：充水气囊型、充气气囊型和隔膜式空气罐[7]。充水气囊型空气罐的气囊内充满液体，氮气充满气囊和空气罐罐壁之间的空间；而充气气囊型空气罐的气囊内充满氮气，液体充满气囊和罐壁之间；隔膜式空气罐是在传统空气罐大约罐高一半的位置处热轧一个橡胶隔膜，预充一定压力的氮气在隔膜上部，水在下部，实现了气水分离。但由于隔膜式空气罐下半部分与水直接接触，易造成生锈，影响水锤防护效果，故逐渐被其他类型的气囊式空气罐取代。蒋梦露等[8]人推导了水泵掉电情况下，充水气囊型空气罐的涌浪周期及压力波动理论公式，提供了理论基础，但并未在实际工程中验证。由于常规空气罐需要配置空压机定期进行自动补气，一般投资比较大，运行维护麻烦，常常在小流量调水工程或中小型水电站中采用，为此，杨开林[9]提出了一种新型调压室——空气阀调压室，即在输水管路中设置一个短管，密封短管顶部，在顶部设置空气阀，减少管道投资效果显著。近些年，在空气阀调压室的基础上，CSA[10]提出带中心竖管空气罐，即在空气罐上部中心安置一个竖管，保证了罐内气体不会排空，在不设空压机的情况下一定程度上增强了空气罐的水锤防护性能。

2 空气罐布置方案研究

石建杰[11]等人依据具体工程，利用Hammer软件，对比分析后提出采用泵后管线设置空气罐与管路系统局部高点位置增设空气阀相结合的水锤防护措施，可以有效提升系统总体负压，并能够降低管路系统局部位置的最大压力，水锤防护效果较好。空气罐一般设置在泵后进行水锤防护，但当供水管路较长、地形起伏不大时，水泵事故停泵后，为平衡管内压力空气罐需向管道内大量补水，故所需空气罐容积大，造价高，运行维护不便。张健等[12]提出在调水管道首尾分别布置空气罐的方案，结合工程实例，分析得出首尾设置空气罐能有效降低空气罐的总容积，且不降低水锤防护效果。何城等[13]在符合调水管道压力控制标准的基础上，进行大量的优化试算，研究了在管道中部设置空气罐、在管道中部串联设置空气罐两种布置方案，并与泵后设置空气罐水锤防护效果进行了对比，得出在水锤防护效果相近的前提下，中部串联设置空气罐所需的空气罐容积最小，且罐内气体最大压力较小，最后阐明了该方案下首末端空气罐的主要作用，建议管道负压过低时，适当增大首端空气罐容积；管道正压过高时，适当增大末端空气罐容积。

3 空气罐水锤防护数值模拟方法研究

水锤的研究肇始于19世纪，有压管道中的水锤问题是100多年来理论研究和实践研究的热点。1898年，JOUKOWSKI[14]运用理论分析，并通过改变管道参数做了大量的水锤分析试验，提出了直接水锤计算公式。1902年，ALLIEVI[15]导出了水锤常数，提出水锤计算的连锁方程，解决了间接水锤的计算问题。EVANGELISTI[16]提出特征线解法，为求解空气罐水锤防护奠定了基础。基于特征线方法，WYLIE[17]开展了水锤的计算机模拟，为复杂系统水锤计算机分析提供了有效途径。BERGERON[18]提出图解法，利用图解法计算水锤，其求解过程直观、概念清晰，且能计算边界条件复杂的调水系统，但图解法作图过程繁琐、耗时长、计算精度差，逐渐被电解法取代。近年来，WOOD[19]提出波特性法，并与使用广泛的特征线法开展了对比研究，通过数值模拟与工程算例验证了二者具有相同的准确级，且跟特征线法相比，波特性法的计算速度更高效，更适合大型管网水锤计算分析。在进行空气罐数值模拟计算时，针对气体状态方程，福克斯[20]指出理想气体多方方程中，多方指数取1.0时，为等温过程，取1.4时，是等熵过程，一般计算中取1.2，但实际过程必定是多变过程，采用理想气体多变方程建立的空气罐数学模型，存在一定的局限性。CHAUDHRY[21]给出常规空气罐边界条件，利用特征线法进行了详细的瞬态分析。在常规空气罐数学模型的基础上，杨开林[9]、VINKO[22]详述了装设有空气阀的空气罐水锤防护的数学模型及其在实际应用中的计算方法。

4 空气罐参数优化研究

空气罐参数优化大多集中在空气罐罐内初始气体体积、连接管直径、阻抗孔口尺寸等方面。金锥等[23]给出了传统空气罐罐内空气体积范围，一般为罐体总容积的20%～30%，指出充气气囊型空气罐预充压力一般为水泵正常工作压力的90%左右。邓安利等[24]基于特征线法，通过对空气罐水锤防护进行数值模拟，对比分析了空气罐罐内初始气体体积的不同对水锤防护效果的影响，得出在相同的罐体体积、罐内水体不会排空的前提下，罐内气体的初始体积越大，水锤防护的效果越好。魏振荣[6]利用数值模拟，研究了管道主管之间的连接管直径大小对水锤防护效果的影响，得出在一定范围内，连接管直径越大，降低管道负压的效果越好，超出这个范围时，水锤防护效果变差，所以连接管存在一个最优直径。PARMAKIAN[25]给出当空气罐入流量与出流量相等时，流入空气罐内的水头损失是流出空气罐水头损失的2.5倍。空气罐的阻抗尺寸往往根据工程经验来确定，为此，龚娟等[26]基于瞬变流理论，建立了空气罐数学模型，提出了空气罐阻抗孔面积的选取条件，并结合实际工程进行了验证，得出在保证管道沿线不出现负压的前提下，选取的阻抗孔面积越小水锤防护效果越好。饶柏京等[27]以实际工程为背景，利用CFD三维流场数值模拟软件，分析得出阻抗孔口形状的不同对相应阻抗系数的大小影响不大，并在不同流态下验证了这一结论。孙强等[28]对比分析了在空气罐和主管道之间带有旁通管、带有节流阀的旁通管和具有流入和流出短管三种型式的空气罐，利用序列二次规划法对空气罐参数进行了优化。通过绘制允许最大压力水头与旁通管直径或节流阀开度角的函数，得出适当降低旁通管直径或节流阀开度角度有利于优化空气罐体积。

此外，路胜[29]对空气罐物理模型试验进行了初步探讨，分析了其孔口直径对空气罐水锤防护的影响，这对空气罐物理模型试验的开展有一定的参考价值。近些年，MOHSEN B等[30]利用物理模型试验与数值模拟相结合的方法，研究空气罐内气囊体积大小对水锤防护效果的影响，针对不同的工况对比分析，得出适当增加空气罐中空气与水的体积比，可以有效减小管道内的压力上升，当气水比在20%～30%之间时，空气罐防护水锤效果良好且不会扩大空气罐尺寸。

5 空气罐联合防护水锤研究

空气罐能有效防护长距离调水系统水锤，但当管线供水流量大，起伏较大时，采用泵后设置空气罐方案时，所需空气罐体积往往较大，增加了工程造价，根据工程实际情况，采用空气罐联合其他水锤防护措施更经济可靠。空气阀是能够有效控制负压的装置，在最大限度地降低保护成本的同时，使瞬态压力保持在安全范围内，MOGHADDAS等[31]在采用罚函数的优化分析中，将最大和最小瞬态压力作为约束条件，将自适应真实遗传算法作为一种优化工具，确定了空气阀的类型、位置和空气罐的尺寸，使管道上所有压力都在允许范围内，总成本最小。罗浩等[32]提出在管道流量大、管线长、泵扬程较高时，仅在泵后设置空气罐防护不足的情况下，采用空气罐与单向调压塔联合防护方案水锤防护效果良好，降低了工程投资，且更便于维护。王思琪等[33]依据实际供水工程，基于特征线法建立水锤防护过渡过程的数学计算模型，并对比分析了空气罐与双向调压塔联合防护和空气罐与单向调压塔联合防护两种方案，经过分析，采用联合防护能有效减小空气罐体积，其中，空气罐与双向调压塔联合防护时，双向调压塔受高处测压管水头的影响，往往高度较高；空气罐与单向调压塔联合防护时，能够降低调压塔高度，但局部高点较多时，需要增设单向调压塔。在具体工程中，对于空气罐联合防护水锤方案的选择，应依据管路特点，结合当地水文、地质等方面工程条件进行综合评估。

6 结 语

根据工程条件来选择合适的防护水锤措施对于实际工程来说，具有重要意义。随着调水工程的复杂性和多样性的增加，水锤防护越来越复杂。许多学者通过建立水锤计算及空气罐边界条件的数学模型，以实际工程为对象，验证了空气罐在防护水锤方面效果较好，空气罐在调水工程中获得广泛应用。目前，空气罐在应用中还存在结构复杂、运行维护不便等问题，仍有进一步优化的空间。在结构型式方面，除了常规空气罐，与空气阀结合、带有中心竖管等型式的空气罐的出现进一步丰富了水锤防护措施，但带有中心竖管空气罐的水锤防护性能还不够灵活，有必要研究一种兼顾结构和防护性能的新型空气罐；在布置方案方面，对空气罐的研究主要限于空气罐水锤防护效果，工程上空气罐大多设置在泵后，能有效降低管道负压，但同时也要考虑空气罐体型大、造价高等问题，空气罐位置设置的原则还不明确，需要进一步的研究；在数值模拟方面，现有研究大都集中在空气罐初始容积、空气罐安装位置等参数对管道瞬态水锤压力变化的影响，CSA虽然提出带中心竖管的空气罐，但并没有建立数学计算模型，其竖管的参数对水锤防护效果的影响更待深入研究；在空气罐参数优化方面，空气罐水锤防护研究的现有成果大都利用数值模拟和算例分析相结合，开展空气罐物理试验的较少，大型调水工程管道复杂，可以进行空气罐水锤模拟试验的物理模型有待实现。