某輸水管道空氣閥布置方式和形式優化研究

謝 忱，閆士秋，楊丙利

(1.山東省調水工程運行維護中心膠州管理站，山東 膠州 266300；2.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100)

我國水資源分布不均，遠距離輸水工程在我國修建較多，對緩解我國部分地區水資源短缺問題和實現水資源重新分配具有重要作用。在輸水方式中，管道被經常采用，而管道破裂事件也時有發生，一旦出現這些事件，將會給人們的生產、生活造成重大影響。分析其破壞原因，很大部分是水柱分離和水汽潰滅產生了再彌合水錘，而在管道設計階段，沒有針對該問題進行詳細深入的分析和研究。在實際運行中，如果管道閥門啟閉不合理，很容易導致水錘壓力過大，影響管道的安全運行。對于一些距離較長的輸水管道而言，尤其是布置在高低起伏的地面上，在對這些管道進行水錘防護時，往往較為困難和復雜。為了對管道的水柱分離和斷流彌合水錘進行預防，采用空氣閥是一種較為有效的措施。Stephenson在研究水錘破壞作用的過程中，重點針對快速關閉閥門時的水錘破壞作了分析，得出應用空氣閥可以較好地避免這種破壞的發生。楊開林等對管道水流由于水錘壓力而導致水體汽化和潰滅的過程進行了研究，得出汽化到潰滅產生的破壞作用較為嚴重。趙秀紅對緩慢關閉管道控制閥時空氣閥對防護水錘的作用進行了研究。但是在空氣閥的布置方式和形式上，目前主要根據已有類似工程的經驗進行，相關研究不多，尤其是布置優化的研究較少。

本文在研究中，以某長距離輸水管道為研究對象，對空氣閥的布置方式和形式進行優化，采用正交試驗法，確定各試驗因素和各因素的水平，制定試驗方案，采用Fluent軟件進行模擬分析，并繪制負壓水頭變化曲線。以管道的負壓水頭代數和為控制指標，采用極差分析法，確定空氣閥的最優組合方式，并對最優組合進行模擬試驗，結合分析結果，給出空氣閥布置方式和形式的優化結果，以期不發生管道水體汽化、水柱分離、再彌合水錘，并指導類似管道設計。

1 工程概況

某輸水管道位于山東某地區，主要用于為某工業區供水，管線總長約4.4km。管道上游進水口和水庫連接，對應高程為223m，管道下游出水口高程為125m，進水口和出水口高程之差為98m。管道材料為球墨鑄鐵管，管壁厚度為15mm。根據設計流量2.77m3/s及其他條件，確定管道的直徑為800mm。管道沿線采用整體錨固方式予以固定。結合設計資料，計算出管道的水錘波速為993.8m/s。為了對管道水流進行控制，將一個具有兩階段控制的蝶閥設置于管道出水口上游320m處的位置，該蝶閥的啟閉有快關和慢關兩種模式，快關時間為35s，關閉率為75%；慢關時間為100s，關閉率為100%。和管道尺寸對應，空氣閥的直徑也為800mm，經分析研究采用復合式空氣閥，允許水頭差為3.5m。通過實地測量，并利用Fluent軟件進行分析，繪制出該輸水管道的縱向位置和穩定運行過程縱向壓力水頭的變化曲線，該縱向壓力水頭變化曲線為不設置空氣閥情況，具體如圖1所示。

圖1 管道縱向位置和縱向壓力水頭變化曲線

2 試驗布置方案和模擬結果分析

為了對空氣閥的合理布置方式進行研究，采用正交試驗方法。為了衡量空氣閥的控制效果，采用的試驗指標是管道的負壓水頭代數和。根據各方案的情況，利用Fluent軟件研究水柱分離、水錘的防護和減弱效果。在進行正交試驗時，結果會受試驗因素和各試驗因素之間關系的影響，但是對于遠距離輸水管道而言，實際的空氣閥安裝距離通常較大，一般都大于500m，空氣閥相互影響的作用可以忽略。本工程屬于長距離管道，在進行正交試驗的過程中，可以采用極差分析法對試驗結果進行分析處理。

2.1 試驗布置方案

根據相關技術規范和該工程實際情況，擬定6個空氣閥布置位置，編號分別為V1—V6，但最終空氣閥的布置個數根據研究結果來確定。整個管道設置一個控制蝶閥，以空氣閥和控制蝶閥為分界點，將整個管道分為8個管段，分別編號為L1—L8。圖2為管道布置簡圖。

圖2 管道布置簡圖

在正交試驗中，確定的試驗因素是6個空氣閥的布置方式和形式，每個空氣閥可供選擇的方案有5個，即每個因素對應的水平有5個，分別為：該位置不設置空氣閥；該位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑4.8mm；該位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑12.7mm；該位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑200mm、微量排氣孔徑4.8mm；該位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑200mm、微量排氣孔徑12.7mm。5個水平分別用序號1、2、3、4、5表示。確定的正交表為L25(56)，由此可得到各因素水平的組合和試驗方案，見表1。

表1 各因素水平組合和試驗方案

以方案10為例，對試驗方案的含義予以說明，方案10表示：V1位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑4.8mm；V2位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑200mm、微量排氣孔徑12.7mm；V3位置不設置空氣閥；V4位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑4.8mm；V5位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑12.7mm；V6位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑200mm、微量排氣孔徑4.8mm。其余方案的數字含義以此類推。

2.2 模擬結果分析

由于閥門關閉引起的水錘破壞是自流管道經常出現的，根據前文所述的控制蝶閥關閉方式，對各個方案進行模擬。這里以方案6為代表，給出方案6的模擬結果，并提取數據，用曲線進行表示，如圖3所示。

圖3 方案6管道最大壓力水頭和最小壓力水頭變化曲線

從圖3中可以發現，最大水錘壓力出現在蝶閥上游位置處，壓力水頭為390m，作用于管壁的壓強為2.6MPa，滿足鑄鐵管的承壓能力；在樁號4350m處，出現最小壓力水頭116m，對應最大負壓為10.01m；在樁號2000～2900m范圍內，管道內沒有負壓，其余樁號范圍內均有負壓出現，在管道全范圍內，負壓之和等于-369.1m。對于常溫下的水而言，它的汽化壓力水頭為10m，最大負壓水頭10.01m略大于汽化壓力水頭。所以水柱分離和水汽潰滅產生的再彌合水錘很可能會在管道中發生，管道的安全運行將會受到影響。

2.3 極差分析

對每個試驗方案進行模擬，得到各試驗方案的管道負壓水頭代數和，運用極差分析法對試驗結果進行分析。表2為極差分析結果。

表2 極差分析結果

根據極差計算結果，6個空氣閥布置方式和形式的主次順序為V6>V3>V4>V5>V1>V2，對應的最優組合是(V1-5，V2-1，V3-1，V4-2，V5-2，V6-3)，即V1位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑200mm、微量排氣孔徑12.7mm；V1位置不設置的空氣閥；V3位置不設置的空氣閥；V4位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑4.8mm；V5位置設置的空氣閥形式同V4；V6位置設置的空氣閥形式是高速進排氣孔徑100mm、微量排氣孔徑12.7mm。根據最優組合進行試驗，得到試驗結果，如圖4所示。

圖4 最優組合的管道最大壓力水頭和最小壓力水頭變化曲線

從圖4中可以發現，采用最優組合，最大水錘壓力出現在蝶閥上游位置處，水頭為390.5m，作用于管壁的壓強為2.61MPa，滿足鑄鐵管的承壓能力；在管線全范圍內，L1段、L3段、L6—L8段均出現負壓，但負壓均較小。除在樁號4350m處出現最大負壓水頭10.008m，其余負壓水頭均小于9.0m。由于最大負壓略大于常溫下水的汽化壓力，管道可能會出現水柱分離和水汽潰滅產生的再彌合水錘，管道的安全運行會受到影響。因此有必要進一步對空氣閥的布置方式進行優化。經過分析，樁號4350m處負壓較大的原因可能是L7—L8段管線較長，只有一個蝶閥，無法有效地控制管道負壓。據此，擬在L7—L8段增設一個空氣閥，其位于蝶閥下游160m，選擇的形式為高速進排氣孔徑100mm，微量排氣孔徑4.8mm。結合最優組合和增設的空氣閥進行試驗，試驗結果如圖5所示。

圖5 蝶閥下游增設空氣閥后的管道最大壓力水頭和最小壓力水頭變化曲線

從圖5中可以發現，最大負壓出現在L7段內，其水頭為7.6m，全管道范圍內的負壓水頭均較小，都在常溫汽化壓力水頭以下，且有超過一半管段都沒有負壓。因此通過在蝶閥下游增設一個空氣閥，能夠有效地防止水體汽化，保證管道不會出現水柱分離和水汽潰滅產生的再彌合水錘，對確保管道的安全運行起到了顯著的作用。

3 結論

本文對某輸水管道空氣閥布置方式進行優化研究，得到以下結論。

(1)基于正交試驗法，選擇了6個空氣閥的布置方式和形式，以此作為試驗因素，確定了25個試驗布置方案，以管道負壓水頭代數和為控制指標，滿足了研究目的。

(2)利用Fluent軟件對每個方案進行模擬分析，極差分析法的結果表明：6個空氣閥布置方式和形式的主次順序為V6>V3>V4>V5>V1>V2。

(3)以最優組合為基礎，在蝶閥下游增設一空氣閥，并再次進行模擬試驗。結果表明：全管道范圍內的負壓水頭均小于常溫汽化壓力水頭，保證管道不會出現水柱分離和水汽潰滅產生的再彌合水錘，滿足了管道的安全運行要求。