空氣閥在長距離供水工程水錘防護中的作用分析

唐順平

（永州市零陵區(qū)石壩仔水庫管理所，湖南 永州425000）

引言

空氣閥在輸水管道內(nèi)具有防護水錘的功能，進而能夠控制輸水管道內(nèi)出現(xiàn)的負壓現(xiàn)象。通過在輸水管道科學全理地布設(shè)空氣閥，一方面能夠排除輸水管道內(nèi)正常運行中存在的滯留氣團，進而防止水錘對輸水管道產(chǎn)生破壞；另一方面可以在輸水管線的壓力降低時，由空氣閥快速地進氣而對水錘波傳播的路線進行阻斷，由此能夠防止輸水產(chǎn)生負壓并遭到破壞。下面通過對數(shù)值進行模擬，分析空氣閥在發(fā)生事故后緊急停泵時水力過渡過程的計算，進而保障輸水管道的安全性。

1 空氣閥防護的原理分析

空氣閥主要是為避免在緊急停泵時產(chǎn)生水錘現(xiàn)象進而產(chǎn)生負壓的一種閥門，一般情況下將其安裝于輸水管線的凸起位置。當輸水管道的內(nèi)部壓力小于大氣壓時則會吸入一定的空氣，而管道內(nèi)的壓力增加高并大于大氣壓后則會將空氣予以排出。此類閥能夠禁止液體泄入大氣，并且在將管道內(nèi)的空氣排空后可以自動關(guān)閉。在泵站的管道內(nèi)，空氣閥最重要的作用主要如下：

1）在水泵的開和管道內(nèi)充水時起到排氣的作用。其主要是為了避免出現(xiàn)快速排氣而導致水流的速度大增，進而導致出現(xiàn)較大的啟動水錘現(xiàn)象，所以需要對排氣速度進行控制。

2）當輸水管道內(nèi)部出現(xiàn)負壓時可以吸入一定的空氣。在管道內(nèi)產(chǎn)生負壓后，空氣閥則吸入空氣，另外需要確保管道內(nèi)的負壓不能超出-19.613 3 kPa，進而明確空氣閥的斷面面積。

3）當輸水管道內(nèi)部的力呈現(xiàn)下降時，又或者是在水中的空氣溶解游離后而導致氣囊時，空氣閥將會把管道內(nèi)凸部的聚集空氣予以自動排除。

2 空氣閥的數(shù)學模型

目前針對空氣閥的模型仍使用由E.B.Wytie與V.L.Sreeter所研究制定的數(shù)學模型，該模型依據(jù)空氣在空氣閥中不同的流進與流出的速度，邊界條件主要為以下4種現(xiàn)象：①空氣為十分理想的氣體，并且在空氣閥的進出過程即為等熵過程；②進入管道內(nèi)部的氣體快速地和水體融合而達到熱平衡的狀態(tài)，并且和水體的溫度相同；③管道內(nèi)部進入的空氣聚集并滯留于空氣閥的附近；④水體的表面高度保持不變。

空氣根據(jù)亞音速流進管道內(nèi)（p0>p>0.528p0）：

Cin——空氣閥在進氣過程中的流量系數(shù)；

Ain——空氣閥在進氣過程中流通的面積；

ρ0——大氣密度；

p0——管道外部大氣絕對壓力；

p——管道內(nèi)部壓力。

空氣根據(jù)臨界流速流進管道內(nèi)（p≤0.528p0）：

式中R——氣體常數(shù)；

T0——管道外部大氣絕對溫度。

式中Aout——空氣閥在排氣過程中的流通面積；

Cout——空氣閥在排氣過程中的流量系數(shù)；

T——管道內(nèi)絕對溫度。

在管道內(nèi)部沒有空氣和水壓大于大氣壓時，空氣閥的接頭邊界條件即Hpi與Qpi一般內(nèi)截面解。水頭下降至管線的高度下部會開啟空氣閥門，空氣則流入其中，空氣排出前的氣體達到恒定的完善氣體方程如下所示：

式中V——空穴體積：

M——空穴內(nèi)空氣質(zhì)量。

在時刻t時，式（5）可得出近似差分方程：

式中Qi——t0流出斷面i的流量；

Qpi——t流出斷面i的流量；

Qppi——t流入斷面i的流量；

Qpxi——t0流入斷面i的流量；

V0——t0空穴的體積；

m0——為t0空穴中空氣的質(zhì)量；

針對上述式（1）～式（4）而言，當工程將負壓有效控制在-5.0 m以上，根據(jù)相關(guān)原則確?？諝忾y內(nèi)的氣體流進速度不能高于臨界的流速，小于-5.0 m時可以將空氣閥的進口直徑進行加大來解決此問題。

圖1所示為空氣閥的流動示意圖。Hp與p的關(guān)系如下式：

圖1 空氣閥模型圖

式中Ha——大氣壓強的水頭；

γ——液體容重；

Z——空氣閥所在位置的高程。

通過把式（1）～式（5）代入式（6）中得出：

式中Bp1、BM2、Cp1、CM2均是已知的參數(shù)。

3 實際工程算例

國內(nèi)某供水項目工程的輸水管道如圖2所示，全線總長為5.15 km，輸水管道的直徑是0.7 m，設(shè)計流量0.437 m3/s，設(shè)計揚程83.00 m，使用的管材為球磨鑄鐵管，而水錘波的速度大概為1 000 m/s。進水池的水位保持在547 m，而出水池的水位則在612 m，主要運用4臺雙吸式的離心泵，其中3臺正常使用，1臺為備用。將水泵出現(xiàn)抽水斷電當作本次研究的計算工況。

圖2 管道布置示意圖

3.1 泵站后無調(diào)壓的計算

根據(jù)泵站輸水的長度L=5.15 km，以及水錘的波速為1 000 m/s，輸水管道出現(xiàn)水錘時的相長大概為10.28 s，所以水泵出現(xiàn)斷電時，10.28 s內(nèi)的流量發(fā)生變化所出現(xiàn)的泵后壓力下降，將根據(jù)直接水錘公式的變化，進而出現(xiàn)過大的水錘壓力。

直接水錘的公式如下：

式中a——水錘的波速；

△u——10.28 s內(nèi)輸水管流速的變化。

根據(jù)圖3顯示得出：輸水的管道1.2 s內(nèi)，流量發(fā)生的變化從0.438 33 m3/s降低至0.122 11 m3/s，進一步致使輸水管的流速從1.140 m/s降低為0.318 m/s，下降幅度為0.822 m/s，然后依據(jù)式（9）進行計算，壓力下降大概在83.79 m。

圖3 輸水管流量變化

泵站后無調(diào)壓措施、水泵抽水斷電，變頻泵、定速泵后壓力水頭均為84.99 m。在分析過程中注重理論分析，而忽略斷電和運行的水泵間存在的壓力傳遞，所以得出的結(jié)果比理論值要大一些，但是，計算的結(jié)果波形和理論結(jié)果相同。泵后大約出現(xiàn)了85 m的壓力（水頭）下降，所以其壓力波的傳播會導致泵站后輸水管產(chǎn)生十分嚴重的負壓情況。輸水管路的沿線最初壓力十分低，而當水錘波傳遞到離泵站大概L/4、L2、3L4位置時，其壓力可能會下降到流汽化的壓力之下，進而致使輸水管道遭到破壞。

此泵站后無調(diào)壓措施，水泵抽水斷電時，泵后沿線會出現(xiàn)高于汽化壓力的負壓，特別是輸水管的后端管中位置的初壓非常低，當經(jīng)過水錘壓力而出現(xiàn)的壓力下降時會致使管路內(nèi)的水流空化，所以在泵站后沿線建立相應(yīng)的平壓措施。

3.2 泵站空氣閥的方案分析

輸水管道內(nèi)產(chǎn)生負壓時會啟動空氣閥，進排氣閥開啟后進入管道內(nèi)對負壓進行抑制，并且進氣量大小和輸水管道內(nèi)的水壓有關(guān)，還和空氣閥的孔口面積以及泵后閥門關(guān)閉的時間存在十分緊密的關(guān)聯(lián)。

此工程的水泵出現(xiàn)抽水斷電之后，如果沒有泵后平壓的設(shè)施則會致使泵后的壓力水頭降低85 m，而輸水管道的最大承載負壓是-7.5 m。根據(jù)理論的相應(yīng)分析，輸水管道所承載的負壓標準和相關(guān)的規(guī)定，此工程的輸水需要使用12個空氣閥。

1）理論設(shè)閥方案抽水斷電計算分析。以輸水管道的直徑大小1/12～1/8為空氣閥的直徑，即為0.058 3～0.087 4 m，本次使用最大的口徑0.087 4 m，然后以0.087 4 m空氣閥、60 s一段直線關(guān)閉變頻泵與定速泵的泵后閥門水力過渡過程進行計算和分析。而此刻輸水管道的沿線壓力水頭最小數(shù)值是-7.41 m，位置在13+982處，變頻泵泵后壓力最大值為146.92 m，定速泵泵后壓力最大值為146.93 m，而在停泵之后，水泵最大的反轉(zhuǎn)速為變頻泵1 747.82/min、定速泵1 744.87/min。由此可見，根據(jù)理論設(shè)置的空氣閥可以達到相關(guān)的標準和要求。

2）輸水管沿線空氣閥的進氣結(jié)果。依據(jù)上文分析的理論設(shè)立閥門，比較合適的關(guān)閉規(guī)律為以60 s一段直線關(guān)閉變頻泵和定速泵的泵后閥門、空氣閥直徑取0.087 4 m，而此時的沿線空氣閥進氣量過程如圖4、圖5所示。

空氣閥的設(shè)立主要根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定標準，即管線沿線的凸點設(shè)立空氣閥，所以只在沖水過種中做排氣之用。

圖4 空氣閥9+660位置進氣量的變化過程

圖5 空氣閥14+090位置進氣量的變化過程

4 結(jié)語

針對較長距離的供水項目工程，特別是一些流量大、揚程高，以及施工地形十分復雜的項目，在輸水管道的沿線科學地設(shè)立空氣閥，可以避免輸水管道產(chǎn)生負壓而遭到破壞。本文通過對較長距離的供水項目進行分析，并對其事故停泵以及關(guān)閉泵后閥門水力的過渡過程加以模擬分析，科學合理地在管線設(shè)立空氣閥，控制輸水管線的負壓保持在標準的范圍內(nèi)，從而確保輸水管道的供水安全。