空氣閥在長距離供水工程水錘防護中的作用分析

唐順平

（永州市零陵區石壩仔水庫管理所，湖南 永州425000）

引言

空氣閥在輸水管道內具有防護水錘的功能，進而能夠控制輸水管道內出現的負壓現象。通過在輸水管道科學全理地布設空氣閥，一方面能夠排除輸水管道內正常運行中存在的滯留氣團，進而防止水錘對輸水管道產生破壞；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生負壓并遭到破壞。下面通過對數值進行模擬，分析空氣閥在發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生水錘現象進而產生負壓的一種閥門，一般情況下將其安裝于輸水管線的凸起位置。當輸水管道的內部壓力小于大氣壓時則會吸入一定的空氣，而管道內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，并且在將管道內的空氣排空后可以自動關閉。在泵站的管道內，空氣閥最重要的作用主要如下：

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

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

3）當輸水管道內部的力呈現下降時，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凸部的聚集空氣予以自動排除。

2 空氣閥的數學模型

目前針對空氣閥的模型仍使用由E.B.Wytie與V.L.Sreeter所研究制定的數學模型，該模型依據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進入管道內部的氣體快速地和水體融合而達到熱平衡的狀態，并且和水體的溫度相同；③管道內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。

空氣根據亞音速流進管道內（p0>p>0.528p0）：

Cin——空氣閥在進氣過程中的流量系數；

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——管道內部壓力。

空氣根據臨界流速流進管道內（p≤0.528p0）：

式中R——氣體常數；

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；

T——管道內絕對溫度。

在管道內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——空穴內空氣質量。

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，根據相關原則確保空氣閥內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。

3 實際工程算例

國內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，設計流量0.437 m3/s，設計揚程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 泵站后無調壓的計算

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

直接水錘的公式如下：

式中a——水錘的波速；

△u——10.28 s內輸水管流速的變化。

根據圖3顯示得出：輸水的管道1.2 s內，流量發生的變化從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，所以得出的結果比理論值要大一些，但是，計算的結果波形和理論結果相同。泵后大約出現了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。

此泵站后無調壓措施，水泵抽水斷電時，泵后沿線會出現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，當經過水錘壓力而出現的壓力下降時會致使管路內的水流空化，所以在泵站后沿線建立相應的平壓措施。

3.2 泵站空氣閥的方案分析

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

此工程的水泵出現抽水斷電之后，如果沒有泵后平壓的設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。根據理論的相應分析，輸水管道所承載的負壓標準和相關的規定，此工程的輸水需要使用12個空氣閥。

1）理論設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，水泵最大的反轉速為變頻泵1 747.82/min、定速泵1 744.87/min。由此可見，根據理論設置的空氣閥可以達到相關的標準和要求。

2）輸水管沿線空氣閥的進氣結果。依據上文分析的理論設立閥門，比較合適的關閉規律為以60 s一段直線關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。

空氣閥的設立主要根據相應的規定標準，即管線沿線的凸點設立空氣閥，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立空氣閥，可以避免輸水管道產生負壓而遭到破壞。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立空氣閥，控制輸水管線的負壓保持在標準的范圍內，從而確保輸水管道的供水安全。