空氣閥在丹東市輸水工程中的應用

潘瓊芝

（丹東市鴨綠江防洪護岸工程建設管理局，遼寧 丹東 118000）

1 工程概況

丹東市濱江路輸水工程主干線全長30 km，采用PC?CP管材輸水，在首端設置1座輸水泵站。

管路布置：在樁號0+000～14+888之間采用2根直徑1.8 m的PCCP管道并聯(lián)輸水，線路沿線有2個分水口。設計工況分水流量：蛤蟆塘分水5.3萬m/d，分水口樁號12+680；應急分支分水20.0萬m/d，分水口樁號14+888 m；余下用直徑1.4 m的PCCP管直接送到四道溝水廠。

由于管道工程輸水線路長，沿途起伏點多，在機組事故斷電的水力瞬變過程中存在發(fā)生水壓降低到液體汽化壓力，形成局部氣囊的液柱分離現(xiàn)象，從而發(fā)生巨大彌合沖擊水壓致爆管事故的可能性。另外，工程大部分管線鋪設在城市街道和人行道地下，這將限制水擊危害防護方法的選擇范圍，并對防水擊破壞設備的安裝提出新要求。采用空氣閥是必須的防護措施。

2 空氣閥工作的數學模型

流過空氣閥的空氣質量流量取決于管外大氣的壓力Pa（絕對壓力）、絕對溫度Ta、以及管內的絕對溫度T和壓力P（絕對壓力）。分下述4種情況：

2.1 空氣以亞聲速流入

2.2 空氣以臨界速度流入

2.3 空氣以亞聲速流出

式中：Cout為排氣時閥的流量系數；Aout為排氣時閥的流通面積，m2。

2.4 空氣以臨界速度流出

當不存在空氣及水壓高于大氣壓時，空氣閥接頭處的邊界條件就是和的一般的內截面解。當水頭降到管線高度以下時，空氣閥打開讓空氣流入，在空氣被排出之前，氣體滿足恒定內溫的完善氣體方程

式中：V- 為空穴體積，m3。在時刻t，式（5）可以近似為

式中：為時刻的空穴體積，m3；△t=t-t0，由特征線方法的穩(wěn)定性條件確定，s；Qi為時刻t0流出斷面i的流量，m3/s；QPi為時刻流出斷面的流量，m3/s；QPXi為時刻t0流入斷面i的流量，m3/s；QPPi為時刻t流入斷面i的流量，m3/s；Ma0為時刻空穴中空氣的質量，kg；M˙a0為時刻流入或流出空穴的空氣質量流量，kg/s；M˙a為時刻流入或流出空穴的空氣質量流量，kg/s。

采用特征線方法，和相容性方程為

式中：Ha為大氣壓頭（絕對壓頭），m；γ為液體容重，N/m3；Z為空氣閥位置高程，m。

將式（7）和（8）代入式（6）得

這就是出現(xiàn)空穴時時刻t要解的方程。在方程中除p是未知量外，其余參數都是已知量。不過，由于氣體質量流量的導數不是連續(xù)函數，從式（9）中求出p的解不是一件容易的事。目前國內外普遍采用Wylie和Streeter(1978)提出的方法求解，該法的基本思路是：首先將描述的函數式（1）和（2）離散化，然后用一系列拋物線方程來分段近似，從而將式（9）轉變成為的二次方程，然后通過判斷解的存在區(qū)域并求解相應的二次方程得的p近似解。一般需要經過幾次這樣的過程才能確定p的解。這種方法的不足之處是計算程序復雜，且收斂性較差。

在我國，隨著不斷深入的教育和經濟體制改革，高校學生的貧困問題也愈加顯露出來，這類問題在山區(qū)地區(qū)表現(xiàn)的更為突出[4]。各高校不僅在主管部門指導下，還在社會各界關心監(jiān)督下，努力做好貧困生的資助工作。在高校學生工作中不可缺少的一環(huán)就是貧困生的認定工作。本文基于我校全體在校學生，通過對學生消費行為的調查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)大多學生的用餐地點選擇的是食堂，而在食堂中采用的消費形式為刷卡，所以通過校園一卡通系統(tǒng)我們可以對學生的經濟水平作客觀的評定，更好的輔助貧困生判定工作的開展。

需要說明的是，目前出現(xiàn)了一些新型的復合空氣閥，例如二級或者三級緩閉防水錘型空氣閥。二級緩閉防水錘型空氣閥是在低壓時全速排氣，高壓時限制排氣速度。三級緩閉防水錘型空氣閥將低壓排氣過程分為兩個階段，低壓差時全速排氣，較高壓差時限制排氣速度，以消除水錘等特殊工況下因全速排氣而加劇的壓力波動對系統(tǒng)的沖擊。

對于二級或者三級緩閉防水錘型空氣閥，不需要新的數學模型，只需在計算的過程中適當調整上述空氣閥數學模型排氣流通面積的大小即可。

3 空氣閥型式的選擇及布置

目前在國內長輸水管道水擊危害防護中，設計師們對采用空氣閥比較感興趣，原因是可以利用為充水過程設置的空氣閥完成事故工況，如水泵斷電的水壓控制，投資最少。

GB50013-2006《室外給水設計規(guī)范》7.4.7節(jié)規(guī)定：輸水管（渠）道隆起點上應設通氣設施，管線豎向布置平緩時，宜間隔1 000 m左右設一處通氣設施，配水管道可根據工程需要設置空氣閥。但對于空氣閥進排氣孔徑，我國相關規(guī)范僅僅說明依據經驗一般選取輸水管道的1/8～1/10。美國水行業(yè)協(xié)會編制的《AWWA M51空氣閥選型計算指南》3.1.1節(jié)建議：管線長上坡段，應該考慮以400～800 m之間的距離安裝高速進排氣閥或者復合式空氣閥；在管線的長水平段兩端，可以安裝復合式空氣閥；如果水平段足夠長，應該考慮以400～800 m的間距安裝微量排氣閥或者復合式空氣閥，因為，在低流速狀況下，是很難將空氣從管線排出的。AWWA M51也給出了滿足管線充水進排氣需要的空氣閥類型的選擇及進排氣孔徑的設計計算方法，同時，考慮水擊危害防護，建議通過水擊計算確定空氣閥的類型及尺寸。

李輝和潘玉龍（2003）與張之鈺和蘇海濱（2005）等以引黃入晉工程為例，介紹了空氣閥類型的選擇和空氣閥的布置。張健等（2009）研究了空氣閥設置位置、間距、數量與管道布置的關系，提出了不同工況下長距離供水管線中設置空氣閥應滿足的通用準則與相關公式。胡建永和方杰（2013）認為氣泡被水流帶走的臨界流速反映了管線輸水氣體的能力，可以作為在經驗取值范圍內判斷空氣閥設置間距的依據。楊開林、石維新、陳景富（2005，2010，1011）針對南水北調中線北京段輸水工程、淮水北調臨渙工業(yè)園輸水管線工程、引松供水工程為例，研究了完全依靠空氣閥防護水擊危害，結果表明，過大或者過小的空氣閥孔徑都不利于水擊危害防護，只有根據情況精心調整個別位置空氣閥的進排氣孔徑，才能得到好的水擊防護效果。

在工程設計中，空氣閥類型、布置、進排氣孔徑常常根據局部管道（1 000 m左右）充水進排氣的需要進行設計計算，由于充水過程進排氣量較大，這樣配置的空氣閥尺寸往往不能滿足水擊防護的需要，因為水擊過程中要求緩慢的排出空氣，以避免排氣過快產生巨大的沖擊水壓。為了解決充水和水擊防護對空氣閥性能要求不一致的矛盾，需要注意這樣的實際情況，對于長距離輸水管線，根據GB50013-2006，宜間隔1 000 m左右設一處通氣設施，在充水未經過的管線所有空氣閥都會進排氣，而不是只在充水來臨的一個空氣閥工作，這意味著按照局部管道充水的需要，選擇的空氣閥進排氣孔徑具有較大的裕量，存在減小空氣閥尺寸的合理性。鑒于此，可以采用下述方法選擇空氣閥的類型和布置：

1）計算不設空氣閥情況下的水力過渡過程，找出管線水壓可能降低到汽化壓力的管段；

2）在可能發(fā)生液體汽化管段凸起點及附近區(qū)域設置防水錘復合空氣閥，并優(yōu)化其進排氣孔徑，容許進氣孔徑大于排氣孔徑，以滿足減小管道真空度、降低液柱彌合沖擊水壓的要求；

3）在各種水力過渡過程中不發(fā)生負壓的管線，按照充水過程需要選擇空氣閥類型、布置、進排氣孔徑。

如果經過水擊計算論證單純采用空氣閥不能滿足運行安全要求，則考慮采用其他方法控制水壓的變化。

4 應用

原始數據：管道曼寧綜合糙率系數為0.012 5，包括局部水頭損失；泵站前池水位20.5 m；四道溝凈水廠出口水位5.7 m。

初始條件：5臺泵運行，水泵揚程15.9 m；流量1.02 m/s；額定轉速；蝶閥全開；蛤蟆塘分水0.59 m/s；應急分支分水2.28 m/s。

初步計算表明，在不設空氣閥的情況下，由于泵站前池水位比干線末端水位高，泵站事故斷電且蝶閥拒動時，干線水壓都會下降到液體汽化壓力，需要設置空氣閥加以避免。根據GB50013-2006，初步在干線間隔500～1 000 m特征點設一處復合空氣閥。

在假設全部空氣閥進排氣孔徑相同條件下，當泵站5臺水泵同時事故斷電、蝶閥拒動時，觀察干線管頂最大/最小/初始測壓管水頭的沿程分布，在水力過渡過程中，機組沒有反轉和倒流。主要原因是水泵前池水位高于全線管道高程及各凈水廠水位，即使事故斷電，但由于虹吸作用，水仍然會向前流。在樁號12+900處是線路的凸起點，高程15.16 m，它的下游線路的高程都較低，在樁號0+000～12+900之間最大水壓是初始水壓，而最小水壓高于大氣壓，該區(qū)間的空氣閥在事故斷電水力過渡過程中不工作；但樁號12+900下游線路大部分管線負壓嚴重，空氣閥工作，其最小水壓約為-9.0 m水頭，發(fā)生液體汽化現(xiàn)象，導致液柱彌合水錘，最大水壓遠遠超過初時水壓。

比較150 mm和200 mm孔徑初始測壓管水頭的沿程分布，空氣閥進排氣孔徑的變化對控制液體汽化現(xiàn)象的作用相差微小，由于選擇空氣閥進排氣孔徑為150 mm或者200 mm都在相關規(guī)范的推薦范圍內，考慮到在充水未經過的管線所有空氣閥都會進排氣，而不是只在充水來臨的一個空氣閥工作，從節(jié)省投資的觀點，建議采用了全線空氣閥孔徑為150 mm的設計。考慮樁號0+000～12+900之間空氣閥在事故斷電水力過渡過程中不工作，空氣閥只承擔充水過程中的進排氣作用，建議設計院選取普通的復合空氣閥，而在樁號12+900下游線路采用防水錘型復合空氣閥。另外，由于采用空氣閥后樁號12+900下游負壓仍然嚴重，工程實際中還采用壓氣罐控制水壓，此文不再詳細介紹。

丹東市濱江路輸水工程按照計算推薦結果安裝空氣閥，目前運行狀況良好。

5 結論

城市長距離管道工程輸水工程大部分管線鋪設在城市街道和人行道地下，沿途起伏點多，在水力瞬變過程中存在液體汽化形成局部氣囊的液柱分離現(xiàn)象，從而發(fā)生巨大彌合沖擊水壓致爆管事故的可能性。采用空氣閥可以有效地防護水擊危害的發(fā)生，可以采用下述方法選擇空氣閥的類型和布置：

1）計算不設空氣閥情況下的水力過渡過程，找出管線水壓可能降低到汽化壓力的管段；

2）在可能發(fā)生液體汽化管段凸起點及附近區(qū)域設置防水錘復合空氣閥，并優(yōu)化其進排氣孔徑，容許進氣孔徑大于排氣孔徑，以滿足減小管道真空度、降低液柱彌合沖擊水壓的要求；

3）在各種水力過渡過程中不發(fā)生負壓的管線，按照充水過程需要選擇空氣閥類型、布置、進排氣孔徑。

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