長距離有壓調(diào)水工程空氣罐水錘防護研究進(jìn)展

翟雪潔,王玲花

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

近年來，人們對水的需求隨社會發(fā)展不斷增加，但淡水資源時空分布不均，且水污染問題加重，水資源的供需矛盾逐漸升級。為了解決這一矛盾，國內(nèi)外修建了大量的長距離調(diào)水工程，把水從資源豐富的地區(qū)引送到資源短缺的地區(qū)[1]。長距離調(diào)水工程具有支線多、流量大、線路長等特點，調(diào)水系統(tǒng)中容易出現(xiàn)水力過渡過程現(xiàn)象，從而產(chǎn)生水錘問題，不僅對水泵機組產(chǎn)生破壞，還會產(chǎn)生管道爆裂，對整個調(diào)水工程造成嚴(yán)重破壞。當(dāng)前，調(diào)水工程規(guī)模越來越大，調(diào)水系統(tǒng)日趨復(fù)雜，水錘防護問題日益突出，越來越多的科研設(shè)計與運行管理人員開始重視水錘防護問題。

有壓調(diào)水系統(tǒng)水錘防護措施主要有雙向調(diào)壓室、溢流式調(diào)壓室、單向調(diào)壓室、空氣罐、空氣閥、超壓泄壓閥、爆破膜、旁通管、減壓閥等[2,3]。其中，調(diào)壓室防護一般用于低揚程、大流量的長距離調(diào)水系統(tǒng)，對于高揚程系統(tǒng)而言，采用調(diào)壓室造價高；空氣閥可以控制液柱分離的產(chǎn)生，但其水錘防護性能受多種因素影響，可靠性不高[4]；超壓泄壓閥、爆破膜、旁通管等，一般作為輔助的水錘防護措施；傳統(tǒng)空氣罐的上部為壓縮空氣、下部為水，底部通過短管與管道連接。發(fā)生事故停泵后，罐內(nèi)氣體迅速膨脹，空氣罐向管道補充水，減小管道負(fù)壓，當(dāng)管道內(nèi)壓力升高時，壓力迫使水進(jìn)入空氣罐，罐內(nèi)氣體被壓縮，由此減小管道壓力升高。空氣罐與其他水錘防護措施相比，能有效降低管道正負(fù)水錘，工作可靠，在高揚程、小流量調(diào)水工程中水錘防護效果顯著[5]。

1 空氣罐結(jié)構(gòu)型式研究

目前，空氣罐主要有三種型式：常規(guī)空氣罐、空氣閥調(diào)壓室和帶有中心豎管的空氣罐。魏振榮[6]介紹了空氣罐的工作原理，列出空氣罐的主要結(jié)構(gòu)型式，給出其水錘防護的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實際工程驗證了空氣罐在有壓管道輸水系統(tǒng)中能夠有效的消除管線中的水柱分離，水錘防護效果顯著。在常規(guī)空氣罐中，除了傳統(tǒng)空氣罐外，還有氣囊式空氣罐，其內(nèi)部有一個整體的氣囊，其中，氣囊式空氣罐又分為三種類型：充水氣囊型、充氣氣囊型和隔膜式空氣罐[7]。充水氣囊型空氣罐的氣囊內(nèi)充滿液體，氮氣充滿氣囊和空氣罐罐壁之間的空間；而充氣氣囊型空氣罐的氣囊內(nèi)充滿氮氣，液體充滿氣囊和罐壁之間；隔膜式空氣罐是在傳統(tǒng)空氣罐大約罐高一半的位置處熱軋一個橡膠隔膜，預(yù)充一定壓力的氮氣在隔膜上部，水在下部，實現(xiàn)了氣水分離。但由于隔膜式空氣罐下半部分與水直接接觸，易造成生銹，影響水錘防護效果，故逐漸被其他類型的氣囊式空氣罐取代。蔣夢露等[8]人推導(dǎo)了水泵掉電情況下，充水氣囊型空氣罐的涌浪周期及壓力波動理論公式，提供了理論基礎(chǔ)，但并未在實際工程中驗證。由于常規(guī)空氣罐需要配置空壓機定期進(jìn)行自動補氣，一般投資比較大，運行維護麻煩，常常在小流量調(diào)水工程或中小型水電站中采用，為此，楊開林[9]提出了一種新型調(diào)壓室——空氣閥調(diào)壓室，即在輸水管路中設(shè)置一個短管，密封短管頂部，在頂部設(shè)置空氣閥，減少管道投資效果顯著。近些年，在空氣閥調(diào)壓室的基礎(chǔ)上，CSA[10]提出帶中心豎管空氣罐，即在空氣罐上部中心安置一個豎管，保證了罐內(nèi)氣體不會排空，在不設(shè)空壓機的情況下一定程度上增強了空氣罐的水錘防護性能。

2 空氣罐布置方案研究

石建杰[11]等人依據(jù)具體工程，利用Hammer軟件，對比分析后提出采用泵后管線設(shè)置空氣罐與管路系統(tǒng)局部高點位置增設(shè)空氣閥相結(jié)合的水錘防護措施，可以有效提升系統(tǒng)總體負(fù)壓，并能夠降低管路系統(tǒng)局部位置的最大壓力，水錘防護效果較好?？諝夤抟话阍O(shè)置在泵后進(jìn)行水錘防護，但當(dāng)供水管路較長、地形起伏不大時，水泵事故停泵后，為平衡管內(nèi)壓力空氣罐需向管道內(nèi)大量補水，故所需空氣罐容積大，造價高，運行維護不便。張健等[12]提出在調(diào)水管道首尾分別布置空氣罐的方案，結(jié)合工程實例，分析得出首尾設(shè)置空氣罐能有效降低空氣罐的總?cè)莘e，且不降低水錘防護效果。何城等[13]在符合調(diào)水管道壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量的優(yōu)化試算，研究了在管道中部設(shè)置空氣罐、在管道中部串聯(lián)設(shè)置空氣罐兩種布置方案，并與泵后設(shè)置空氣罐水錘防護效果進(jìn)行了對比，得出在水錘防護效果相近的前提下，中部串聯(lián)設(shè)置空氣罐所需的空氣罐容積最小，且罐內(nèi)氣體最大壓力較小，最后闡明了該方案下首末端空氣罐的主要作用，建議管道負(fù)壓過低時，適當(dāng)增大首端空氣罐容積；管道正壓過高時，適當(dāng)增大末端空氣罐容積。

3 空氣罐水錘防護數(shù)值模擬方法研究

水錘的研究肇始于19世紀(jì)，有壓管道中的水錘問題是100多年來理論研究和實踐研究的熱點。1898年，JOUKOWSKI[14]運用理論分析，并通過改變管道參數(shù)做了大量的水錘分析試驗，提出了直接水錘計算公式。1902年，ALLIEVI[15]導(dǎo)出了水錘常數(shù)，提出水錘計算的連鎖方程，解決了間接水錘的計算問題。EVANGELISTI[16]提出特征線解法，為求解空氣罐水錘防護奠定了基礎(chǔ)?；谔卣骶€方法，WYLIE[17]開展了水錘的計算機模擬，為復(fù)雜系統(tǒng)水錘計算機分析提供了有效途徑。BERGERON[18]提出圖解法，利用圖解法計算水錘，其求解過程直觀、概念清晰，且能計算邊界條件復(fù)雜的調(diào)水系統(tǒng)，但圖解法作圖過程繁瑣、耗時長、計算精度差，逐漸被電解法取代。近年來，WOOD[19]提出波特性法，并與使用廣泛的特征線法開展了對比研究，通過數(shù)值模擬與工程算例驗證了二者具有相同的準(zhǔn)確級，且跟特征線法相比，波特性法的計算速度更高效，更適合大型管網(wǎng)水錘計算分析。在進(jìn)行空氣罐數(shù)值模擬計算時，針對氣體狀態(tài)方程，?？怂筟20]指出理想氣體多方方程中，多方指數(shù)取1.0時，為等溫過程，取1.4時，是等熵過程，一般計算中取1.2，但實際過程必定是多變過程，采用理想氣體多變方程建立的空氣罐數(shù)學(xué)模型，存在一定的局限性。CHAUDHRY[21]給出常規(guī)空氣罐邊界條件，利用特征線法進(jìn)行了詳細(xì)的瞬態(tài)分析。在常規(guī)空氣罐數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，楊開林[9]、VINKO[22]詳述了裝設(shè)有空氣閥的空氣罐水錘防護的數(shù)學(xué)模型及其在實際應(yīng)用中的計算方法。

4 空氣罐參數(shù)優(yōu)化研究

空氣罐參數(shù)優(yōu)化大多集中在空氣罐罐內(nèi)初始?xì)怏w體積、連接管直徑、阻抗孔口尺寸等方面。金錐等[23]給出了傳統(tǒng)空氣罐罐內(nèi)空氣體積范圍，一般為罐體總?cè)莘e的20%～30%，指出充氣氣囊型空氣罐預(yù)充壓力一般為水泵正常工作壓力的90%左右。鄧安利等[24]基于特征線法，通過對空氣罐水錘防護進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析了空氣罐罐內(nèi)初始?xì)怏w體積的不同對水錘防護效果的影響，得出在相同的罐體體積、罐內(nèi)水體不會排空的前提下，罐內(nèi)氣體的初始體積越大，水錘防護的效果越好。魏振榮[6]利用數(shù)值模擬，研究了管道主管之間的連接管直徑大小對水錘防護效果的影響，得出在一定范圍內(nèi)，連接管直徑越大，降低管道負(fù)壓的效果越好，超出這個范圍時，水錘防護效果變差，所以連接管存在一個最優(yōu)直徑。PARMAKIAN[25]給出當(dāng)空氣罐入流量與出流量相等時，流入空氣罐內(nèi)的水頭損失是流出空氣罐水頭損失的2.5倍?？諝夤薜淖杩钩叽缤鶕?jù)工程經(jīng)驗來確定，為此，龔娟等[26]基于瞬變流理論，建立了空氣罐數(shù)學(xué)模型，提出了空氣罐阻抗孔面積的選取條件，并結(jié)合實際工程進(jìn)行了驗證，得出在保證管道沿線不出現(xiàn)負(fù)壓的前提下，選取的阻抗孔面積越小水錘防護效果越好。饒柏京等[27]以實際工程為背景，利用CFD三維流場數(shù)值模擬軟件，分析得出阻抗孔口形狀的不同對相應(yīng)阻抗系數(shù)的大小影響不大，并在不同流態(tài)下驗證了這一結(jié)論。孫強等[28]對比分析了在空氣罐和主管道之間帶有旁通管、帶有節(jié)流閥的旁通管和具有流入和流出短管三種型式的空氣罐，利用序列二次規(guī)劃法對空氣罐參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過繪制允許最大壓力水頭與旁通管直徑或節(jié)流閥開度角的函數(shù)，得出適當(dāng)降低旁通管直徑或節(jié)流閥開度角度有利于優(yōu)化空氣罐體積。

此外，路勝[29]對空氣罐物理模型試驗進(jìn)行了初步探討，分析了其孔口直徑對空氣罐水錘防護的影響，這對空氣罐物理模型試驗的開展有一定的參考價值。近些年，MOHSEN B等[30]利用物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究空氣罐內(nèi)氣囊體積大小對水錘防護效果的影響，針對不同的工況對比分析，得出適當(dāng)增加空氣罐中空氣與水的體積比，可以有效減小管道內(nèi)的壓力上升，當(dāng)氣水比在20%～30%之間時，空氣罐防護水錘效果良好且不會擴大空氣罐尺寸。

5 空氣罐聯(lián)合防護水錘研究

空氣罐能有效防護長距離調(diào)水系統(tǒng)水錘，但當(dāng)管線供水流量大，起伏較大時，采用泵后設(shè)置空氣罐方案時，所需空氣罐體積往往較大，增加了工程造價，根據(jù)工程實際情況，采用空氣罐聯(lián)合其他水錘防護措施更經(jīng)濟可靠?？諝忾y是能夠有效控制負(fù)壓的裝置，在最大限度地降低保護成本的同時，使瞬態(tài)壓力保持在安全范圍內(nèi)，MOGHADDAS等[31]在采用罰函數(shù)的優(yōu)化分析中，將最大和最小瞬態(tài)壓力作為約束條件，將自適應(yīng)真實遺傳算法作為一種優(yōu)化工具，確定了空氣閥的類型、位置和空氣罐的尺寸，使管道上所有壓力都在允許范圍內(nèi)，總成本最小。羅浩等[32]提出在管道流量大、管線長、泵揚程較高時，僅在泵后設(shè)置空氣罐防護不足的情況下，采用空氣罐與單向調(diào)壓塔聯(lián)合防護方案水錘防護效果良好，降低了工程投資，且更便于維護。王思琪等[33]依據(jù)實際供水工程，基于特征線法建立水錘防護過渡過程的數(shù)學(xué)計算模型，并對比分析了空氣罐與雙向調(diào)壓塔聯(lián)合防護和空氣罐與單向調(diào)壓塔聯(lián)合防護兩種方案，經(jīng)過分析，采用聯(lián)合防護能有效減小空氣罐體積，其中，空氣罐與雙向調(diào)壓塔聯(lián)合防護時，雙向調(diào)壓塔受高處測壓管水頭的影響，往往高度較高；空氣罐與單向調(diào)壓塔聯(lián)合防護時，能夠降低調(diào)壓塔高度，但局部高點較多時，需要增設(shè)單向調(diào)壓塔。在具體工程中，對于空氣罐聯(lián)合防護水錘方案的選擇，應(yīng)依據(jù)管路特點，結(jié)合當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)等方面工程條件進(jìn)行綜合評估。

6 結(jié) 語

根據(jù)工程條件來選擇合適的防護水錘措施對于實際工程來說，具有重要意義。隨著調(diào)水工程的復(fù)雜性和多樣性的增加，水錘防護越來越復(fù)雜。許多學(xué)者通過建立水錘計算及空氣罐邊界條件的數(shù)學(xué)模型，以實際工程為對象，驗證了空氣罐在防護水錘方面效果較好，空氣罐在調(diào)水工程中獲得廣泛應(yīng)用。目前，空氣罐在應(yīng)用中還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行維護不便等問題，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。在結(jié)構(gòu)型式方面，除了常規(guī)空氣罐，與空氣閥結(jié)合、帶有中心豎管等型式的空氣罐的出現(xiàn)進(jìn)一步豐富了水錘防護措施，但帶有中心豎管空氣罐的水錘防護性能還不夠靈活，有必要研究一種兼顧結(jié)構(gòu)和防護性能的新型空氣罐；在布置方案方面，對空氣罐的研究主要限于空氣罐水錘防護效果，工程上空氣罐大多設(shè)置在泵后，能有效降低管道負(fù)壓，但同時也要考慮空氣罐體型大、造價高等問題，空氣罐位置設(shè)置的原則還不明確，需要進(jìn)一步的研究；在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有研究大都集中在空氣罐初始容積、空氣罐安裝位置等參數(shù)對管道瞬態(tài)水錘壓力變化的影響，CSA雖然提出帶中心豎管的空氣罐，但并沒有建立數(shù)學(xué)計算模型，其豎管的參數(shù)對水錘防護效果的影響更待深入研究；在空氣罐參數(shù)優(yōu)化方面，空氣罐水錘防護研究的現(xiàn)有成果大都利用數(shù)值模擬和算例分析相結(jié)合，開展空氣罐物理試驗的較少，大型調(diào)水工程管道復(fù)雜，可以進(jìn)行空氣罐水錘模擬試驗的物理模型有待實現(xiàn)。