供水泵站水力过渡过程研究概况：新技术的理论与实践

（一）国外泵站水力过渡过程的研究概况

水力过渡过程总是伴随着波（纵向的或横向的）的传播形式出现，所以它的研究历史可以追溯到19 世纪关于波的传播理论的探讨。水力过渡过程研究最早是从探讨声波在空气中的传播和波在浅水中的传播以及血液在动脉中的流动开始的，但是直到弹性理论、微积分学以及解偏微分方程的方法建立以前，这些问题都未能精确地获得解决。

牛顿（Newton）和拉格朗日（Lagrange）对声波在空气中的波速作了理论分析以及实验测试。牛顿推导出了一个不正确的渠道中的水波波速公式，拉格朗日则推导出了明渠中波速的正确公式。

欧拉（Euler）建立了更为详细的弹性波传播理论并导出波传播的偏微分方程。1789年，蒙吉（Monge）提出了偏微分方程的图解法，并提出了特征线法。

杨（Young）研究了血液的流动、阻力损失、弯曲损失和压力波在管中的传播。赫尔姆合尔茨（Helmholtz）首先正确指出，水在管道中的压力波速较其在无围限的水中高是由于管壁有弹性引起的。韦伯（Weber）研究了弹性管中的不可压缩流体的流动并做了决定压力波速度的试验，他建立了运动方程和连续方程，这些方程是我们研究的基础。

首先对水锤问题进行研究的是意大利工程师门那布勒（Menabrea）。他在1858 年所发表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在由波的传播所引起的压力变化上面。他利用能量原理，考虑了管壁和流体的弹性，导出了波速公式，说明了水击的基本理论，从此奠定了弹性水击的理论基础。

同一时期，美国、俄国和意大利的学者分别发表了比较全面系统的水锤理论的著作。1898年，美国工程师弗里泽尔（Frizell）在美国土木工程师协会会报上发表了论文“管道中流速变化所产生的压力”。文中弗里泽尔导出了水锤波速和由于流速突然变化所产生的水锤压力的公式，并且指出如果管壁弹性模量是无限大，水锤波速与声波在不封闭的水中的速度相等。文中还讨论了分岔管、波的反射以及连续波对速度的影响等问题。

1897 年，俄国空气动力学家儒科夫斯基（жуковский）在莫斯科用不同的管道对水锤现象做了大量的实验。在理论和实验的基础上，他于1898年发表了题为“管道中的水锤”的著名论文。文中建立了速度减小与压力升高的关系式，即著名的儒科夫斯基公式，讨论了压力波沿管道的传播和压力波在出流端点的反射；对调压室、安全阀以及阀门关闭速率等对水锤的影响也进行了研究；并且指出：当关闭时间T＜2L/a 时（L 表示管长，a 表示波速），压力达到最大值。

意大利工程师阿列维（Allievi）稍后于儒科夫斯基，于1902 年发表了关于水锤理论的论文。儒科夫斯基的研究只解决了直接水锤的问题，阿列维则在理论分析的基础上，解决了间接水锤的问题。他在计算公式中引进了迄今仍在使用的水锤常数。对于线性启闭规律条件下的阀门端的水锤压力，他提供了一套图表，便于实际应用。

从19 世纪初至20 世纪50 年代末，伍德（Wood）、洛威（Lowy）等人提出了图解法，伯格龙（Bergeron）、帕马京（Parmakian）等对图解法做了全面系统的发展。莫斯特科夫（мостков）、克里夫琴科（кривченко）等对于水力机械特性的影响作了一定的研究。沃格特（Vogt）、克勒姆（Calame）、弗朗克（Frank）、托马（Thoma）等对于调压室理论与实际运用做出了贡献。

20世纪60年代初期，美国著名流体力学专家斯特里特VL（StreeterV.L.）教授连续发表几篇论文，1978年怀利EB（Wylie E.B.）和斯特里特V L（Streeter V.L.）合著了《FluidTransient》一书，书中主要讨论了瞬变流的发生、发展的机理以及如何减少和防止由于瞬变流动造成的不利影响，并给出了用FORTRAN语言计算瞬变流的方法和程序以及控制瞬变流的工程措施。书中涉及了涡轮泵、调速水轮机、阀调节、往复泵、明渠、石油和天然气输送等系统中的工程实际问题，并系统地介绍了他们运用电子计算机进行水锤计算的研究成果。该书于1983 年由清华大学译成中文版《瞬变流》。1979 年，加拿大的M.H.Chaudhry博士发表专著《Applied HydraulicTransients》，书中系统地介绍了水力过渡过程的基本原理、数学模型与工程实用计算方法，以及水电站、核电站。水泵站、输油管道系统中的水力过渡过程计算方法、控制过渡过程的实例、电算程序，也涉及压力管道中的水柱分离与共振等问题。

随着管道水锤研究工作的发展，在英国皇家学会流体工程分会的组织下，国际上每隔几年召开一次国际压力涌波会议（InternationalPressureSurgeConference），总结和交流这方面的研究工作。我国从第四届（1983 年）开始才有学者参加这项国际会议。

总之，运用计算机求解非恒定流问题标志着非恒定流计算进入了一个崭新的时期。其后，随着计算机的普及和发展，非恒定流计算研究不断完善和向纵深发展。

（二）国内泵站水力过渡过程的研究概况

国内在水力过渡过程方面的研究起步较晚。由于水锤事故的发生，在20 世纪60 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量的试验，对后期水锤计算及防护奠定了基础。特别是对下开式水锤消除器的研究，为其20世纪70年代的普及使用起到了很好的指导作用。栾鸿儒等人对利用爆破膜防止泵站水锤进行了试验研究，提出了膜片材料及厚度选择的计算方法。

20世纪80 年代初期，随着《Fluid Transients》和《Applied Hydraulic Transients》两本书中译本的出版，我国进行瞬变流研究的科技人员越来越多。刘竹溪、刘光临等人将计算机电算技术用于国内的泵站水锤计算中，他们的论文还涉及水泵全特性曲线的研究，其专著《泵站水锤及其防护》是国内第一本系统介绍泵站水锤及防护的专著。刘光临等人将特征线法应用于工程实际，通过研究，对两阶段关闭的缓闭蝶阀在事故停泵时的关闭过程进行了优化等。金锥等人在水柱分离方面进行了多年研究，建立了水柱分离计算模型。索丽生等人在水电站压力引水系统水力过渡过程研究方面做了大量的工作，为调压在工程中的应用提供了理论基础。液控缓闭蝶阀是我国科技人员在20世纪80年代开发的一种新型水锤防护设备，通过调节阀门的关闭时间和角度（可分为快关和慢关），来有效预防水锤的发生。吴建华等对于农业供水高扬程泵站的水锤问题进行了现场实际的测试，通过研究提出了高扬程泵站的若干防护措施等。

王学芳等主要从事工业管道中水锤的分析与研究，其研究涉及密闭输油，大城市长距离输水，火电厂、核电厂和化工厂的热力交换和循环系统，热水供应系统及具有防水锤特性的阀门等，并于1995 年出版了《工业管道中的水锤》一书。栾鸿儒等人在泵站水锤的试验和计算方面做了大量的工作，发表的论文对国内常用的两阶段关闭蝶阀、逆止阀和微阻缓闭止回阀等在工程中的正确应用起到了指导作用。2000 年杨开林的《电站与泵站中的水力瞬变及调节》和2001 年陈璧宏的《水电站和泵站水力过渡流》都系统总结了前人的成果，对进一步进行瞬变流的研究起到了积极的作用。目前对泵站水力过渡过程研究，采用的主要方法是试验、计算机数值模拟或两者相结合的方法。

总之，从计算机的广泛应用至今，水锤及其防护问题的理论研究和实际应用两个方面都获得了相当程度的进展，整个水锤研究体系日趋完善，研究范围也日益扩大，近年来，由于管道系统中因出现水柱分离及其再弥合现象而造成的水锤事故时有发生，目前国内外有关流体瞬变流的研究已深入到液气两相瞬变流水锤问题和管路中两相瞬变流的固液耦合作用（FluidStructureInteraction简称FSI），同时如何更加经济、有效地防止水锤事故，根据实际情况寻找最优的防护对策也是一项长期的研究课题。

（三）高扬程泵站压力管路安全防护措施的研究

为了控制水锤，人们提出了用阀调节的概念。早期开展阀门关闭方案研究工作的有：克耐仆（Knapp）在1937 年，鲍杰龙（Bergeron）在1949 年，克尔（Kerr）在1950年和1951 年，锐斯（Ruus）和史催特（Streeter）在20 世纪50 年代后期开始建立类似的方法。直到1963 年，才建立了无摩擦阀调节的完整处理方法，它能在阀运动停止后消除最终瞬变。1970年普洛普生（ProPson）对此方法的建立有了详细的解释，并且给出了方法的证明。他将阀调节分为“被动”与“主动”两种情况。此外他还研究了一种给定时间内的调节，并且研究了迅速关阀，将时间降低到2L/a，而以前的各种调节方法至少需要4L/a。在20世纪70年代以前，我国高扬程抽水泵站防护水锤的办法是：在压力管道上设置调压水箱、空气室、爆破膜片、水锤消除器、机组装设飞轮。以上几种办法都可在不同程度上防护水锤，但是存在着占用厂房面积大，土建工程投资大的问题，而且运行不方便。进入80年代，我国科技人员开发出了一种新型水锤防护设备——液控缓闭蝶阀。该阀在断电时可按预定的时间和角度，分快关、慢关两个阶段关闭，能有效地降低管网中压力的波动，消除流体在管网中的水锤危害，控制水泵反转，从而保护水泵和管网系统的安全可靠运行。同时还可将其作为水泵主阀使用，一阀带两阀（代替闸阀和止回阀）。进入90年代，液控缓闭蝶阀又有了不同程度的发展：一是改进了液压系统设计，使其性能更可靠，调节更方便；二是增设了防止重锤下掉的压力补偿系统及锁定装置，保证了最小流阻系数，具有更大节能效果；三是增设了泵阀联动控制，使其操作更加简便。

目前，停泵水锤的防护措施大体上有以下三种类型：

（1）补水、补气、蓄水以降低水锤压力，防止产生液柱分离和断流弥合水锤。属于这种类型的有各种型式的双向调压塔、单向调压塔、气压罐、进排气阀等。这些装置一般不会造成管道系统的水量损失。

（2）泄水降压，避免压力骤升。属于这种类型的有各种型式的泄水阀门。其中有水锤消除器、缓闭反向阀、快闭反向阀（止回阀）、自闭碟阀、防爆薄膜以及设置旁通管等。这些装置一般都要泄水，会造成管道系统输水量损失。

（3）其他防护措施。例如增大管经，减小流速，改善管道系统布置，以减小水锤压力，防止液柱分离合弥合水锤等。

三种类型的停泵水锤的防护措施具体叙述如下：

（1）双向调压塔。在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。

（2）单向调压塔。在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。

（3）气压罐。国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。(www.xing528.com)

（4）水锤消除器。20世纪80 年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的一部分水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。国内常用的是下开式水锤消除器。

（5）缓闭止回阀。缓闭止回阀是只能单向开启的阀门，它通过阀门缓闭的形式来消除水锤。缓闭止回阀的形式很多，有旁通式、上阻式、侧阻式、复合式等。其中有一种叫液控缓闭蝶阀，近年来常用在实际工程中，这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后3～7s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10～30s范围。可以利用计算机模拟最佳时间，并现场调试确定。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。

（6）超压泄压阀。超压泄压阀能够在管道内压力超过预先整定的释放压力（例如1.3倍的正常压力）时，阀门迅速开启，释放超高压力压力峰值，并在5～20s 内自行关闭，释放压力可以方便的调节设定。

（7）进排气阀。进排气阀是一种补气和排气装置，当管内压力低于大气压力时，阀门打开，空气进入管内以避免管内压力下降过低。当管内压力高于大气压力时，管内的空气又通过阀门排出。进排气阀价格便宜，管理方便，工程中采用较多。

（8）爆破薄膜。在水泵压水管道上装设金属爆破薄膜、铅片或紫铜片等。当管道由于水锤升压超过预定值时，薄膜自行爆破，水流外泄，达到泄水降压消除水锤的效果。这种措施简单、造价低廉，但薄膜的爆破压力难以精确计算，还可能造成大量水量的损失，目前尚未普遍推广应用。

（9）装设惯性飞轮。装设惯性飞轮是为了加大水泵机组的转动惯量，以减小停泵后的水泵机组转速的下降率，延缓机组开始倒转的时间。这样可以降低停泵后管路中流速的急剧降低。这种方法设备比较简单，效果也比较好。但是，在长输水管路及管路沿地形起伏大的场合，可能需要尺寸很大的飞轮；另外，飞轮也增加电动机的启动负荷，这对一般适宜于轻载启动的异步电动机而言是不利的。

另外，取消普通止回阀、设置多级止回阀、合理布置管线、降低管路中的流速等措施都能起到减小管路水锤压力的作用，在具体工程中还得结合实际情况，采用计算机模拟或试验研究来选择。

为了最大限度地消除水锤对管路安全的影响，充分发挥供水工程的经济与社会效益，长期以来，广大科研与工程技术人员在实践中积极探索，得出了以下一些有益的经验性结论。

（1）对于无逆止阀的管路系统，必须注意的是水泵机组倒转和水大量倒流造成的损失和危害。一般情况下，无逆止阀管路主要应避免水泵机组的长时间过度倒转，以防水泵轴套松脱和机组共振。输水距离在1.2～5.0km范围，管线愈长，停泵水锤值愈大，水泵机组倒转愈严重。管线长度超过5.0km，长度继续增加则对水锤值影响较小。几何扬程增高，最大水锤值和水泵机组倒转值均有所增加，当几何扬程大于50m时，水泵机组倒转值将持续超过额定正转速（βmax/βn≤－1.0），超过规范的允许范围。在这种情况下应与水泵制造厂联系采取相应的技术措施以确保水泵在倒转运行工况下的安全。对于无逆止阀管路选用转矩较小、转动惯量较大的水泵机组将有利于改善停泵水锤发生时的水泵和管路工况，推迟水泵的倒转时间，降低水泵的倒转值。

（2）对于装有普通止回阀的管路系统这种停泵水锤的情况较为严重，一般输水距离在1.2～5.0km范围时，管线愈长，停泵水锤值愈大。管线长度超过5.0km，长度继续增加对上述参数影响较小。几何扬程增高，停泵水锤值也愈大。对于取水泵房，若条件许可（输水管路较短，水泵允许短时间倒转），可取消普通逆止阀。如果采用了普通逆止阀，则水泵机组、管路配件和管路系统的耐压等级和稳定性均应考虑最大水锤压力值。

（3）对于装有缓闭逆止阀的管路系统，缓闭逆止阀对于降低停泵水锤有明显效果。缓闭逆止阀的使用应结合具体情况，快慢两个阶段的关阀历时应根据泵房水泵性能和输水管路的边界条件进行计算机模拟，得出最佳的理论时间组合，并在试验运行中调整，以期获得最佳关阀历时和快慢两个阶段的关阀历时的分配。如果关阀时间长于或短于最佳关阀历时或快慢两个阶段的关阀历时采用不当，均会导致产生很大的水锤压力值。一般情况下：调整理想的缓闭逆止阀管路的停泵水锤值可控制为几何扬程的1.45 倍左右，而非理想状况下的缓闭逆止阀管路的最大停泵水锤值可达几何扬程的2.5～2.8 倍。此外，快慢两个阶段的关阀历时的选用也是很有讲究，一般要求停泵后5s内应关闭阀门的80%以上。

（4）普通逆止阀管路中有弥合水锤发生在输水管路布线时应尽量避免纵坡的突然变化，特别要防止出现“凸峰或膝部”，否则可能出现水柱拉断而导致发生弥合水锤，弥合水锤的最大压力值为几何扬程的3～5 倍甚至更大，其对泵房和输水管路系统将产生极大的危害。当管道中发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限，通称采用安装进排气阀来防止弥合水锤的发生。一般情况下，驼峰出现处的高程为几何扬程的30%～80%时最为不利（水锤值最大）。工程上应尽量避免管道“凸峰”的出现，当不可避免时，则应采取工程技术措施进行水锤防护。

（四）供水泵站水力过渡过程数值模拟的主要内容

高扬程、长距离供水工程的管路安全问题是供水工程安全运行的关键问题之一。因此泵站水力过渡过程的研究，不仅对供水工程的设计提供科学依据，而且对供水工程的安全运行具有十分重要的意义。

（1）在总结前人研究成果的基础上，系统的阐述水锤的基本理论及其特征线法，分析各种水锤防护措施的工作机理，建立其边界条件和求解的数学、水力学模型。

（2）采用特征线法结合不同型号水泵并联运行和两阶段关闭的液控蝶阀防护的边界条件方程，建立对应的水力计算模型，并泵站工程的应用和计算，对大泵配小泵的方案和优化两阶段关闭液控蝶阀关闭程序的防护效果进行研究，为泵站工程的设计和安全运行提供技术支持。

（3）山西省禹门口黄河工业供水工程属于长距离供水工程，基于管路压力的分布和管路局部凸点处布置安装进排气阀的特点，结合当量管道法和调整波速法，建立进排气阀的数学模型，在此条件下对于该供水工程的水力过渡过程进行分析计算。

（4）山西省娘子关提水工程二级泵站水力过渡过程的分析计算，结合水锤消除器本身的特性，建立了水锤消除器的水力计算模型和合理的求解方法，通过计算分析，验证下开式水锤消除器对于该系统压力管路安全防护的合理性。

（5）采用VisualBasic6.0作为开发语言，结合SQLServer2000数据库，开发出界面友善、操作简单、功能齐全、性能可靠的泵站水力过渡过程数值模拟系统。要求软件系统与用户间的人机交互界面友好，包括基于表、文、图形等的接口。软件系统分输入、输出两大部分，一方面把由键盘获得的信息和命令通过识别、理解，转换成内部形式传递给系统；另一方面把系统运行产生的结果，转换成人们易于直观接受的语言文字、输出数值、表格、图形等方式，传给用户。

根据已建立的水力过渡过程的数学模型，通过大量的分析、计算与研究，针对各种工况下停泵水锤压力，重点解决以下问题：

1）提供正常停泵和正常启动过程（即稳态运行的工况）：水泵转速、流量、压力（扬程）变化过程。

2）提供事故停泵（水泵断电）时的时间特征值，即零流量时间、零转速时间、最高反转时间、最大反转速度、最大倒流量及对应的时间、最大水锤压力值和最小水锤压力值以及对应的时间等。

3）提供事故停泵过程水泵转速、扬程、流量的变化过程线。

4）提供出水管路压力分布状况，即最大水锤压力上升值、最低压力线。

5）研究液控蝶阀的启闭与调节规律，优化其两阶段关闭规律，使泵的反转速，系统的倒泄流量和水锤将压、生压最小，并提供最优两段关闭的时间和角度。

6）研究水锤消除器的工作原理，确认水锤消除器的开始泄流时间、泄流量等。

7）研究开发每一个供水系统，在各种运行工况下的压力管路的包络线，从而为压力管路的优化设计和系统的安全运行提供技术保障。