长距离有压流输水管道水锤计算及防护设备研究进展

徐 燕，李 江

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心(院士专家工作站)，新疆 乌鲁木齐 830000)

我国水资源的特点是，北方大部分地区严重缺水，南方少数城市也有自然雨水不足的问题，部分地区地下水超采严重，且由于海水入侵，部分城市的地下水污染严重。为了缓解这一紧张的供水矛盾，跨流域调水、远距离取水近年来建设突飞猛进。如南水北调工程、引栾入津工程、北京第九水厂供水工程、东深供水工程、罗布泊钾盐供水工程等。这也带动了管道供水工程技术及发展。在长距离供水工程中成功的关键就是管线可以安全的运行，此类工程如发生一次水锤，就可能引起爆管事件的发生，将会对人民的生命财产安全造成不可估量的损失，所以必须对供水安全问题给予高度的重视。

水柱分离是有压管流中出现空穴(空管段)时的一种水击现象[1]。如果工程设计中不做好水锤防护设备的布置及选型，会发生严重的爆管事故。水锤防护是防止水锤现象的发生，并将水锤危害程度降到最低。当发生水锤升压，或出现负压时，如何采用合理的水锤防护设备，并采取合理的关阀时间，控制水锤升压，或消除负压，是长距离有压流输水工程安全运行的关键问题。

目前水锤防护通用防护措施，主要有空气阀、止回阀、超压泄压阀(安全阀)、空气蓄能罐、单向调压塔、双向调压塔等[2]，本文将重点介绍不同水锤防护设备的研究进展及未来发展的趋势。

1 水锤分析计算研究进展

水锤问题与波速有着直接的关系，牛顿和拉格朗日最早提出了波速的公式[1]，欧拉建立了弹性波传播理论并推导了波传播的偏微分方程，1789年，蒙吉[3]提出了偏微分方程的图解法，提出了特征线法。1858年，Korteweg[4]提出在计算波速时要同时考虑管道和流体的弹性。1876年Resal在运动方程和连续方程的基础上，提出了二阶波动方程。1858年，意大利工程师门那布勒(Menabrea)[5]首先对水锤问题进行了研究，完成了水力过渡过程的基本理论，奠定了弹性水锤理论的基础。1898年，俄国著名空气动力学家儒科夫斯基(Joukowski)[6]给出了直接水击压强的计算公式。1902年，意大利工程师阿列维(Allievi)[7]给出了不稳定流动的基本微分方程，得到了末相水击的计算公式，奠定了水击计算的理论基础[1]。目前水锤分析的基本理论一直在使用儒科夫斯基和阿列维提出的计算公式，但随着行业的发展，提出了液柱分离、两相流过渡流等计算问题。

设计上关心的管道水锤问题主要有两大类，一类是重力流输水过程的末端关阀产生的水锤，一类为扬水工程中的事故停泵工况或启泵工况产生的水锤。水锤分析计算的基本理论已经非常成熟，主要分为刚性水锤理论、弹性水锤理论、水锤压力波的反射和干涉。水锤基本微分方程式由运动方程和连续方程两部分组成，该方程式是全面表达有压流中非恒定流动规律的数学表达式，是一维波动方程的一种形式[8]。

水锤计算的方法主要有图解法、数值计算方法，其中数值计算方法主要利用特征线方程或波特性方程对不能直接求解的流动暂态微分方程组，进行转化，使用计算机编程上机运算。国内基本上都在使用特征线法进行水锤计算分析，美国肯塔基大学Don.J. Wood 教授提出的波特性法，以瞬态管流源于管道系统水力扰动所产生压力波动的发生和传播这一物理概念为理论基础，通过追踪水锤波的发生、传播、反射和干射，计算各节点不同时段的瞬态压力值[9]。拉格朗日波特性法，具有特征线法所不具备的高效计算速度，主要体现在大型管网水力计算时的速度优势非常大。

水锤波动全过程包括压力波的产生、传播、反射、干涉乃至消失，当管流中出现水柱分离时，会引起更加复杂的物理过程。水锤波波速计算是一个复杂的过程，要准确地计算出波速的大小非常困难。到目前为止，还没有一种能精确计算波速的方法，都是近似计算[10]。因此对水柱分离及水锤波速的计算未来仍然需要进一步研究。

2 常用水锤防护设备

2.1 调压塔

可分为单向调压塔、双向调压塔、箱式双向调压塔3种类型，其中单向调压塔可防止产生负压，是降低断流弥合水锤升压的防护设备，一般在泵站附近或管道的适当位置修建，可设置于输水管线的主要特异点处，如驼峰点、折线顶点等，设计上主要考虑如何消除水锤发生时产生的断流空腔，正压升高一般利用超压泄压阀泄压，达到防止管道升压的目的[20]。双向调压塔是一种兼具注水与泄水缓冲式的水锤防护设施，其典型特征是塔(井)与管道贯通连接，当压力输水管道中压力降低或升高时，双向调压塔向管道补水或管道中的高压水进入塔中，有效防止水锤的发生，构造简单，效果好[12]，设计中应注意：塔应有足够的容积和断面面积，在停止或启动水泵过程中，塔内的水位变动不大；应当设置在可能产生负压的管道高点或折弯点；当塔距离泵站较远时，应考虑泵站与塔之间的水锤问题[11]。箱式双向调压塔是我国自行研发的水锤防护设备，具有泄压和补水功能，其调压原理是：采用上下不等面积活塞增压原理，达到活塞的动态平衡，依靠活塞的运动，打开或关闭泄水口，从而保护管道安全[11]，其主要性能特点是①防水锤泄压溢流性能高，安全可靠；②泄压动作回位误差小；③动作灵敏，反应迅速，对任何水锤都有良好的防护效果；④当管道内出现负压时，该调压塔可迅速向管道内补水，以防止水柱拉断，产生断流弥合水锤[11]。

2.2 空气蓄能罐

在电站气垫调压池的设计基础上，逐步研发出了空气蓄能罐水锤防护设备，该罐能够应对管道瞬态工况下的高压和低压危害，与双向调压塔具有相同的贯通结构，可以极大化的减小管道压力波动频率和振动，还可以适用于各种压力工况和安装位置。按照其充气方式和内部结构，可分为压缩空气罐和内胆消除罐等。

(1)压缩空气罐。是在内部充入一定量压缩空气的金属水罐装置，一般直接安装在水泵出口附近的管道上，如图1所示。当发生水锤时，利用罐内的空气压缩或膨胀，防止管道水锤升压或负压，消减停泵水锤危害[13]。通常情况下，空气容积占罐总容积的20%～25%，罐内预充压力为水泵扬程的80%～90%，压缩空气罐的液位需要监测，当液位低于设定液位时，需要空气压缩机向罐内补充空气，如图1所示。

图1 压缩空气罐原理示意图

(2)内胆式水锤消除罐。由橡胶隔膜罐改进，早期的橡胶隔膜罐主要用于小型的配水管网。随着科技的不断发展，法国CHARLARTTE公司制造出丁基橡胶内胆钢制水锤消除罐，并在大中型管道中进行了应用，其水锤防护性能可靠。目前内胆式水锤消除罐的制造容量已达120m3，为大型扬水泵站和中小型水电站调保安全防护应用提供了可能。当发生停泵水锤时，管道中压力急降时，内胆膨胀或回缩，将内胆或罐体内的水压入管道系统，起到补水稳压作用。当反射回来的正压波到达时，内胆压缩或膨胀，起到气垫消能作用，使水锤波动幅度平缓。内胆式水锤消除罐有两种型式，如图2所示。

图2 内胆式水锤消除罐示意图

从图1可以看出，压缩空气罐中空气与水直接接触，随着运行时间的增加，空气会不断的溶于水中，致使空气罐的缓冲能力减小，需要管理人员定时补充空气；由于运行过程中，空气不断的溶于水中，使得管道中水的溶气量增加，致使空气有可能在管道的低压段逸出，形成气阻，聚于管道高点或变坡点，如该点无空气阀有效排放空气，则会造成气堵，影响输水经济性[22]。加之压缩空气罐还需配套空气压缩机，无电区域无法使用。内胆式水锤消除罐水与空气无接触，避免了空气在水中的溶解，罐内或内胆内的压力稳定。

2.3 安全泄放阀

安全泄压阀是一种自动阀门，当管道发生水锤时，不借助任何外力，当阀前压力大于设定的压力时，阀门会自动开启，避免管道水锤压力超过预设压力；当管道压力小于设定压力后，阀门自行关闭[14]。输水工程中常用的安全泄压阀主要包括直动式泄压阀、先导式泄压阀和水锤消除阀3种。

(1)直动式泄压阀。也称直动式安全阀或弹簧式安全阀，一般仅靠直接的机械加载装置，如重锤、杠杆加重锤或弹簧来克服阀瓣下介质压力所产生的作用力，输水中主要采用弹簧加载式。当管道内压力大于弹簧整定压力时，水压顶起阀瓣，水流由泄压口排放；用于气体介质泄放效果要好于液体介质。

(2)先导式泄压阀。是在水力控制阀基础上研制出的安全泄压设备，阀门由主阀和导阀两部分组成。当系统内压力大于导阀设定值时，系统压力克服导阀张紧力，导阀滑阀向上移动，把主阀隔膜腔内水压导通主阀排水口或大气，主阀开启泄压。

直动式和先导式相比较，在控制上都是采用了弹簧作为压力整定组件，但在开启和关闭特征上区别较大，如图3所示，直动式泄压阀在开启的初期，开度与压力呈较为近似的线性关系，而先导式泄压阀，一旦开启后会快速的达到全开，泄放效果要优于直动式泄压阀，先导式泄压阀有一个导阀泄压过程，泄压灵敏度不如直动式泄压阀，但是先导式泄压阀可通过调节隔膜腔充压速度，来控制主阀的关闭速度，可最大化的避免直动式泄压阀容易出现的突跳，和回座所产生的关阀水锤事故。先导式泄压阀具有快开慢关的特点，在输水管道系统中，对于超压持续时间超过5s以上的高压危害工况防护效果较好，其泄压后的关闭时间参数设定，是管道瞬态仿真模拟的重要因素。

(3)水锤消除阀。在国外被称之为压力波动预止阀，是在先导式泄压阀基础上根据瞬态特征研制的一款安全泄压防护设备。由高压导阀、低压导阀、手动关闭阀杆和主阀组成。可分为液动型水锤消除阀和电控式水锤消除阀。其中液动型水锤消除阀在管道充水时可由手动关闭阀杆关闭，以避免充水低压泄水，在管道充水后打开，高压导阀和低压导阀在正常运行压力和静压下都保持关闭，主阀也保持关闭状态。当断电停泵发生时，管道首先产生较大的压降，当低于低压导阀设定低压值时，低压导阀弹簧克服水压复位，导通主阀隔膜腔与大气外界通路，主阀开启泄水，管道压力上升至低压设定值时，低压导阀关闭，在高于高压导阀设定值时，高压导阀开启，主阀再次泄水，在瞬态压力波动的整个过程中该操作自动重复进行，直到压力平稳至静压，水锤消除阀进入到关闭待用状态。在陡峭和距离较短的扬水管道系统或水电站压力引水管中，为避免导阀反应速度慢的问题，一般采用电控式水锤消除阀。

图3 直动式泄压阀、先导式泄压阀的开启和关闭特征

普通泄压阀在水锤发生时，需要一个高于设定压力的持续存在，才能打开泄压阀泄放高压，但多数情况下由于瞬态过程的危害高压是以瞬间波动的形式出现的，往往会造成泄压阀反应迟缓，无法打开或完全开启，导致管道的薄弱点爆裂或内部损坏，因此，泄压阀不完全适用于所有扬水泵站系统中的安全防护。

2.4 空气阀

按用途进行分类，可将空气阀分为低压进排气阀、高压微量排气阀、组合式空气阀[20](同时具备微量排气和高速进排气的功能)、具有防水锤功能的空气阀[15]。

(1)低压进排气阀。能够在管道充水时大量排气；在管道放空或出现水柱分离，或管道发生负压时大量进气(防止管道溃管)。在充水过程中，当阀内的水位上升，将浮球顶起，空气阀就完全关闭，当阀内的气压低于外界大气压时，才能再次打开。浮球不应被高速流动的空气吹上去而密封住排气口；当管道压力低于大气压时，应及时向系统补充空气，以平滑的方式排出空气，以减少系统的压力波动[25]。

(2)高压微量排气阀。能够在管道持压工况下排气，是为了弥补低压进排气阀在管道系统有压流条件下，无法开启排气而设置的，主要用于压力条件下连续排出管道内空气，由于排气口径非常小，通常口径在1mm左右，被称为针孔排气阀。建议不要单独将其应用于需要消除负压工况的系统中，因为虽然此型排气阀可以在真空状态下进气(真空止回阀除外)，但其进气量对于需要大量、高速进气的系统来说过小。

(3)组合式空气阀。是将低压进排气阀和高压微量排气阀组合为一体，兼有两种排气阀的功能，通常情况下该阀能够应对排空、进气和带压排气等需要，但由于高压微量排气阀排气孔径小，易堵塞的问题很突出，以及低压进排气阀容易封堵失效，漏水现象在应用中非常普遍，对用户造成很大的困扰，同时在水锤防护、原水或污水进排气和防冻等特殊需求场合，还需要其他结构和功能的空气阀，但几年来随着空气阀技术的不断进步，在功能、性能和质量上都得到了较高的提升[16]。

(4)防水锤型空气阀。也称三级缓闭型防水锤空气阀，是针对水锤控制的性能需求开发出来的特殊功能空气阀，与普通复合式空气阀相比增加了一个限流排气组件，空气在管道内的排气为限流盘、低压进排气浮球和高压微量排气浮球三级缓闭排气过程，在有可能发生断流弥合水锤工况的管道上使用，可提高系统安全，降低水锤防护总投资。

2.5 止回阀

止回阀又称单流阀、单向阀、逆止阀、背压阀。止回阀属于自动阀门类，其主要作用是防止介质倒流、防止泵及驱动电动机反转、防止水从容器泄放。主要用于水单向流量的管道上，只允许一个方向流量，以防止发生事故。目前有几种类型的止回阀，分别为两阶段关闭蝶阀、水泵自运控制阀、球形止回阀、静音式止回阀。

在水泵出水端安装止回阀的目的是阻止水的倒流。止回阀关闭速度、关闭方式关系到流态变化导致水锤的程度，因而形成快速关闭与缓速关闭的两种对策。快速关闭的论点在于水锤未形成前就迅速关闭，也就是当断电停泵瞬间，水流由正向流、减速正向流、停顿、倒流、加速倒流的变化过程中，倘若止回阀在水流停顿时关闭是理想的，形成的停泵水锤微小，达到预防水锤的功能，符合这一论点的是静音式止回阀。缓速关闭的论点在于止回阀采取快闭、慢闭两个阶段，在慢闭阶段让水部分回流到水池，消除或减轻停泵水锤的能量，符合这一论点的是各种形式的缓闭止回阀、缓闭蝶阀、水泵自动控制阀。

通常在以下管路上设置止回阀：①用水系统的进水管上；②密闭的水加热器或用水设备的进水管上；③水泵水管上；④进出水管合用一条管道的水箱、水塔、高位水池的出水管段的适当位置。

3 不同水锤防护设备研究进展及应用实践

对于不同的有压流输水工程，都有自身的特点，如长距离、大落差、大管径、地形起伏变化大等问题，这就需要设计者结合工程的特点，综合考虑管道的水锤防护设计。调查研究发现，在有压流输水工程中的管道沿线设置的水锤防护设备各有不同，可谓是百花齐放。许从愿，王娟等[17]认为复合式进排气阀对管道的安全运行及其重要，管道中排气或吸气与大气压有一定的关系，活塞式调节阀可调节输水管的输送水量，并通过其关阀时间的调整可有效防止水锤发生。侯波[18]认为对于重力流长距离、多起伏、大管径输水工程，为防止管道发生水柱分离与断流弥合水锤，在合适位置设置双向调压塔，并配备进排气阀，控制管道末端的阀门关闭时间，可解决管道的安全防护问题，并能降低经济造价。张玲[19]在大西沟引水工程中针对管线最长、管径最大、静水压最大的二级管线进行了分析，采用空气阀、三级缓排式空气阀、集气罐、超压泄压阀及末端的调流消能等5种水锤防护设备，认为各级管线末端选取最小关阀时间为2min，以保证管线满足瞬态运行要求。刘建华，刁美玲等[20]认为高扬程泵站工程中，在水泵出口处设置气压罐，并沿管线设置缓闭式空气阀，能够有效缓解水锤压力。张晓旭、辛亚东等[21]在兴和县综合物流园区供水工程中采用气压罐、液控缓闭止回阀解决水锤防护问题；任宝红[22]在南沟门水库北线供水工程二级泵站上采用两阶段关闭止回阀、压力罐、水击泄放阀、空气阀解决水锤防护问题；尹文静[7]认为在长距离输水管道中选择普通排气阀和箱式双向调压塔作为水锤防护措施，能保障供水安全；邢海仙等[23]认为液控止回阀可有效缓减管线的水锤压力，但当管线出现多起伏状态，发生弥合型水锤时，只设置液控止回阀不能起到有效的防护效果，提出使用液控止回阀、水锤预防阀、水锤型空气阀的组合防护方案，控制长距离输水管道中的弥合型水锤的发生。李江等[24]认为在长距离、高扬程泵站扬水工程中，可使用液压缓闭止回阀、防水锤空气阀、水锤消除罐、水锤消除阀，解决停泵水锤发生时的水锤防护，以保障管道安全运行。孙巍等[25]认为采用活塞式调节阀、缓闭气缸式进排气阀、末端液控蝶阀配合，可消除水锤的发生，防止爆管。蒋琳琳等[26]认为空气阀、超压泄压阀组合防护，可有效减小水锤压力。

从上述研究成果可以看出，长距离有压流输水管路水锤防护措施一般均采用组合式防护方案。设计计算中需比较分析各种防护措施的特性，结合工程的自身情况，合理布置，分析优化综合防护措施及其参数。本文收集了新疆长距离有压流管道水锤防护设备的组合防护措施，见表1—2。

4 水锤仿真分析及防护设备未来发展趋势

4.1 水锤仿真分析

管道有压流输水工程中水锤仿真分析应分为两个阶段，一是工程前期设计阶段的水锤分析计算，二是工程建成后，利用自动化控制采集的各种数据，进行在线水锤分析计算。前者主要服务于设计单位，后者主要服务于运行期的管理部门，为运行管理人员提供可操作性的管护方案。

从工程前期设计的角度考虑，有压流输水工程的复杂程度在不断的增加，管网变得越来越复杂，必须利用水锤分析计算来优化管道设计，确保管道运行安全，这会使设计部门对从事水锤分析计算单位的能力提出更高的要求。从目前的计算市场情况来看，主要采用C++等语言编程、国内开发软件、国外商用软件(主要有Bentley Haestad HAMMER、KYPipe、InfoWorks等)进行计算。从自编程序或软件自身来说，都具备水锤计算的能力。但往往从工程重要性的角度考虑，设计单位会委托几家不同的水锤分析计算单位同时计算一个有压流输水工程，而计算的结果千差万别，常不具备可比性，主要的原因是计算时使用的防护设备不同，即便是设计单位要求在固定位置使用相同防护设备，也会出现计算偏差很大的问题，这说明边界条件选取不一致，对设备不了解。因此未来亟需对水锤分析计算提出统一的要求，让计算人员了解不同的水锤防护设备，并制定出相关的标准，规范市场。

表1 新疆扬水泵站工程水锤防护设备组合一览表

表2 新疆重力流工程水锤防护设备组合一览表

从运行管护的角度出发，未来发展的方向是与输水工程的自动化平台进行数据对接，实现对运行管道的水锤进行实时计算分析，给出运行故障诊断分析，为运行管理部门提出各种阀门的控制指标，实现管道智能化运行。目前国内已经出现了长距离输水水力控制计算机仿真技术，但发展历程较短，1998年杨开林[27]和北京仿真中心合作开展了引黄入晋工程全系统运行的水力学计算机仿真研究，丹麦DHI研究院为该工程研制了实时仿真平台，供运行调度使用。2004年杨开林[28]提出了调水工程水力控制仿真系统的体系结构及其内涵，介绍了计算机数字三维仿真平台，以及仿真系统的功能；王涛和杨开林[27]建立了管道、泵站及前池明渠输水系统的水力控制状态模型，在数字仿真平台上对所建立的调水工程全系统进行了动态仿真模拟。王光谦[27]等在2007年通过对南水北调中线一期工程，建立了水力控制的系统理论与模型，实现了水力模型计算与可视化仿真同步交互。但这仍是一个新的发展方向，有许多问题需要进一步的分析研究，如何实现水锤在线监测，预判设备的开度，关阀时间、预测各分水口的水量等。

4.2 水锤防护设备

随着有压管道输水工程不断发展，工程的难度越来越大，水锤防护设备中新型的止回阀、空气阀、空气蓄能罐、安全泄压阀等水锤防护设备在一些供水工程中得到了应用，但这些设备的防水锤效果值得我们结合实际工程进行研究。如静音止回阀可在小于1s内快速关闭，对水泵机组的反转保护效果非常好，对管道沿线的水锤防护效果也非常明显；内胆式水锤消除罐可以自动控制泵站的开启、停泵，对管道沿线的水锤波进行正压吸收，消除负压，作用明显；水泵控制阀可以实现自动开启、关闭，对水泵的保护作用显著，但水锤分析计算中无法模拟小口关闭的过程，存在计算误差。在未来的研究中应对静音止回阀、内胆式水锤消除罐、水泵控制阀在工程中的防护效果，工程适用性，进行深入的研究。

水锤在线监测一直是管道输水行业追求的目标，如何完整的界定和监测到水锤波动幅度、频率、时长和时间节点是一个难题，选用常规的传感器和监测技术无法实现，经调查，目前这种特殊的检测设备和系统软件由美国垄断，国内应尽快开发具有自主知识产权的水锤防护设备辅助在线监测系统和设备，促进我国水锤发生机理的深入研究。

5 展望

(1)水锤分析计算不管在前期设计阶段还是后期的运行管护阶段，其分析都是非常重要的，这需要设计者和管理者高度重视，在设计阶段我们要重视水锤计算分析，对设计中采用的防护设备，要进行水锤分析计算；对选定的防护设备，要求不同的计算单位在选定的位置上进行同等深度的计算，要求计算时边界条件要一致，否则计算的结果会出现较大偏差。对管理者而言，要对设计阶段的水锤计算分析成果进行复核，利用施工后运行的实际参数进行水锤计算复核，提出各种防护设备的操作规程，指导工程运行。

(2)输水管道行业目前采用的水锤分析计算软件或程序，多种多样，目前输水管道分析计算方面的规程规范在我国是一个空白，研究人员应考虑规程或规范的编制，规范边界条件的选取、不同水锤防护设组合问题、防护设备位置选择、输出结果的表达式等，以更好的指导工程设计。

(3)对新型的水锤防护设备，要以实施的项目进行跟进，对防护设备的效果进行分析研究，使新型设备能够更广阔的应用。建议建立国家级试验研究平台，监测设备不同运行工况的性能，规范设备选用。

(4)长距离输水管道工程水力控制仿真模拟平台的建设，会带动水行业向智能化方向发展，望引起高度的重视。