防水錘型空氣閥在長距離輸水作用

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 之前介紹DRVZ型靜音止回閥操作注意事項，現(xiàn)在介紹防水錘型空氣閥在長距離輸水作用一般來說，長距離輸水工程沿線的地形地質情況較復雜、水力元件眾多，具有水體慣性時間長、輸水量大、受水范圍廣的特點，系統(tǒng)中任一水力元件過流特性的變化，都將在整個輸水系統(tǒng)中產生復雜的水力瞬變現(xiàn)象，一旦發(fā)生事故，將會產生嚴重后果。     
       防水錘型空氣閥在長距離輸水作用 在輸水管線上布置空氣閥，一方面可排除系統(tǒng)內正常運行時的滯留氣團，避免彌合水錘對輸水系統(tǒng)造成的正壓破壞；另一方面，當管線壓力出現(xiàn)急劇下降時，空氣閥迅速進氣，阻斷水錘波傳播路線，可避免輸水系統(tǒng)出現(xiàn)負壓破壞［1］。筆者通過數(shù)值模擬對空氣閥在事故停泵工況下的水力過渡過程進行了計算分析，以確保供水管道安全穩(wěn)定運行。
        1 空氣閥數(shù)學模型
        根據(jù)空氣流進、流出空氣閥的速度不同，空氣閥邊界條件分4種情況［2］。
        空氣以亞音速流進：     
        （1）
        式中：為空氣質量流量；Cin為進氣時空氣閥的流量系數(shù)；Ain為進氣時空氣閥的流通面積；ρ0為大氣密度；p0為管外大氣的壓力；p為管內壓力。
        空氣以臨界流速流進：
        （2）     
        式中：R為氣體常數(shù)；T0為管外大氣溫度。
        空氣以亞音速流出：
        （3）
        式中：Aout為排氣時空氣閥的流通面積；Cout為排氣時空氣閥的流量系數(shù)；T為管內的溫度。
        空氣以臨界流速流出：
        （4）
        當輸水管中不存在空氣及水壓高于大氣壓時空氣閥接頭的邊界條件就是Hpi（時刻t流出斷面i的測壓管水頭）和Qpi（時刻t流出斷面i的流量）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，氣體滿足恒定的*氣體方程：     
        （5）
        式中：V為空穴體積；M為空穴中空氣的質量。
        在時刻t，可以近似得到式（5）的差分方程：
        （6）
        式中：Qi為時刻t0流出斷面i的流量；Qpi為時刻t流出斷面i的流量；Qppi為時刻t流入斷面i的流量；Qpxi為時刻t0流入斷面i的流量；V0為時刻t0的空穴體積；m0為時刻為t0空穴中空氣的質量；為時刻t0流入、流出空穴的空氣流量；為時刻t流入、流出空穴的空氣流量。
        對于式（1）～式（4）需要說明的是，如果工程控制負壓（水頭）在－5.0m以上，原則上保證了氣體流進空氣閥的速度不超過臨界流速，一旦出現(xiàn)小于－5.0m的負壓（水頭），可通過加大空氣閥進口直徑的措施予以解決。
        空氣閥流動示意見圖1。Hp和p之間的關系為
        （7）
        式中：Ha為大氣壓強水頭（壓強水頭）；γ為液體容重；Z為空氣閥位置高程。

圖1 空氣閥流動示意

        將式（1）～式（5）代入式（6）整理得
        （8）
        式中：Bp1、Bm2、Cp1、CM2分別為已知參數(shù)。 
        式（8）是出現(xiàn)空穴時刻t的方程，其中除p是未知量外，其余參數(shù)都是已知量，但由于的導數(shù)d/dp不是連續(xù)函數(shù)，因此從式（8）中解出p比較困難。目前國內外普遍采用的方法是：首先將描述的函數(shù)式（1）～式（4）和式（7）離散化，然后用一系列拋物線方程來分段近似表示，從而將式（8）轉變成為p的二次方程，zui后通過判斷解的存在區(qū)域來求出相應的二次方程的近似解。
1.防水錘空氣閥要垂直安裝本閥，立管系統(tǒng)應在zui高點，水平管系統(tǒng)應安裝在zui末端；
2.在防水錘空氣閥下面加裝緩沖塞閥：在管線注滿水情況下，因管道壓力大，當水流到達管道開孔處，此時管道壓力聚集在空氣閥底端，在沒有安裝緩沖塞閥時，過大的水流壓力會對空氣閥里面的部件產生破壞，進而發(fā)生諸如空氣閥漏水、不排氣等現(xiàn)象，所以建議在空氣閥下面特別是在高壓管路的排氣閥下面加裝緩沖塞閥。
3.防水錘空氣閥垂直安裝于管線上。
        2 算例分析
        某供水工程管道布置示意見圖2，輸水系統(tǒng)總長約5.14km，管道直徑為0.7m，設計流量為0.438m3/s，設計揚程為83.50m，管材為球磨鑄鐵管，水錘波速約1000m/s。進水池正常水位為547.50m，出水池正常水位為612.00m，布置4臺雙吸離心泵（3用1備）。把水泵發(fā)生抽水斷電作為計算工況。

圖2 某供水工程管道布置示意    

        2.1 泵站后無調壓措施的計算分析
        由于泵站及其輸水系統(tǒng)全長L約為5.14km，水錘波速約1000m/s，當系統(tǒng)發(fā)生水錘時，水錘波的相長約10.28s，因此當水泵抽水斷電時，10.28s內流量變化所產生的泵后壓力降低，將按照直接水錘公式變化，由此會產生較大的水錘壓力。直接水錘公式為
        （9）
        式中：a為水錘波速；Δv為供水輸水干管10.28s之內的流速變化。
        由圖（3）可知：泵站輸水干管1.2s內的流量由0.43833m3/s變化到0.12211m3/s，由此導致輸水干管流速由1.140m/s下降至0.318m/s，下降0.822m/s，按照式（9）計算，可能導致壓力下降約83.79m。 
    
圖3 泵站后無調壓措施、水泵抽水斷電輸水干管流量變化

        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84.99m。由于理論分析忽略了斷電水泵與運行水泵之間的壓力傳遞，因此計算結果略大于理論分析值，但計算結果的波形（見圖4）與理論分析結果基本一致。由于泵后產生了約85m左右的壓力（水頭）下降，因此該壓力波的傳播將導致該泵站后的輸水管路沿線出現(xiàn)較嚴重負壓。管路沿線初始壓力較低，當水錘波傳遞至距離泵站約L/4、L/2、3L/4（樁號10+690、11+950、13+300）處時壓力可能降低至水流汽化壓力以下，導致管道破壞。

圖4 泵站后無調壓措施、變頻泵抽水斷電時泵后壓力水頭變化

        上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥從圖5可以看出，該泵站后無調壓措施、水泵抽水斷電時，泵后沿線將產生遠大于汽化壓力的負壓，尤其管道后端管中的初始壓力很低，一旦通過水錘壓力時產生的壓力降低將直接導致水流空化，因此需在該泵站后沿線設置平壓措施。

圖5 泵站后無調壓措施、水泵抽水斷電泵后沿線壓力變化

        2.2 泵站空氣閥方案
        空氣閥的作用是當管道中出現(xiàn)負壓時，進排氣閥打開向管道中進氣來抑制負壓，且進氣量的大小不僅與空氣閥所處的管道中內水壓力大小有關，而且還與空氣閥孔口面積、水泵泵后閥門的關閉時間密切相關。
        該供水工程水泵抽水斷電后，如泵后無平壓設施，泵后壓力水頭下降85m，管道承受zui大負壓（水頭）值為－7.5m。通過理論分析，根據(jù)管道承受負壓標準以及相關規(guī)范規(guī)定（在管道沿線凸起點需設置空氣閥），該輸水系統(tǒng)需設置12個空氣閥（進排氣閥）。
        （1）理論設閥方案抽水斷電計算分析?？諝忾y直徑取管道直徑的1/12～1/8，即0.0583～0.0875m，建議取大口徑0.0875m。對空氣閥直徑為0.0875m、以60s一段直線關閉變頻泵和定速泵的泵后閥門水力過渡過程進行了計算分析。此時管道系統(tǒng)沿線壓力水頭zui小值為－7.41m，出現(xiàn)在樁號13+982處（樁號13+982處管道壓力水頭變化過程見圖6），變頻泵、定速泵對應的泵后壓力zui大值分別為146.92、146.93m，停泵后水泵的zui大反轉速分別為1747.82、1744.87r/min?？梢?，理論布設的空氣閥滿足沿線負壓、水泵出口壓力及水泵的反轉轉速等要求。

圖6 樁號13+982處管道壓力水頭變化過程

        （2）沿線部分空氣閥進氣結果。根據(jù)上述理論設閥方案分析，較合適的關閉規(guī)律為以60s一段直線關閉變頻泵和定速泵的泵后閥門、空氣閥直徑取0.0875m，此時沿線部分空氣閥的進氣量過程見圖7～圖10。

圖7 樁號9+660處空氣閥進氣量變化過程

圖8 樁號11+270處空氣閥進氣量變化過程

圖9 樁號12+330處空氣閥進氣量變化過程

圖10樁號14+090處空氣閥進氣量變化過程
FOX防水錘型空氣閥是引進 國外新的技術加以改進，吸收消化國外技術，達到國內產品*，形成具有*性、防水錘、復合式功能為一體的多功能空氣閥。防水錘空氣閥的產品結構設計科學，維護簡單，具有在大壓差下又能大量高速進排氣的功能，防水錘空氣閥的空氣關閉壓力大于0.4MPa不自閉。
延緩排氣的功能與實際盤片的有效孔徑，均得以試驗測量，并在實踐當中應用，同時作為水錘分析的邊界條件得以普遍應用。
FOX防水錘空氣閥是一款真正解決管道當中起伏點出現(xiàn)"水柱拉斷"式水錘的有效解決方案。
FOX系列防水錘空氣閥
 
防水錘型空氣閥產品性能特點：
防水錘盤片上有2個或多個小孔（可選）,其孔徑以及進出氣量特性與數(shù)套水錘分析軟件相接，作為邊界條件廣泛應用；真正的防水錘設計，采用主動的關閉特性，即當進氣過程一旦結束，盤片便自行關閉，而不是被氣流所吹,解決了水錘計算理論上的當中關閉的延時等不利條件，并在實踐當中證明優(yōu)于非主動關閉的盤片特性。
FOX防水錘空氣閥主要適用于管線當中起伏點受到"水柱拉斷"式水錘解決，以及深井泵站的啟泵水錘防護。由于部分空氣閥是按照相關規(guī)范規(guī)定（管線沿線凸起點必須設置空氣閥）設置的，因此僅在沖水時做排氣之用。

        3 結語
        對于長距離供水工程，尤其是較大流量、高揚程且地形復雜的工程，沿管線合理布置空氣閥是防止管道負壓破壞的有效措施。筆者針對長距離供水工程中事故停泵和關閉泵后閥門的水力過渡過程進行了數(shù)值模擬仿真，通過合理設置空氣閥，可有效地控制沿線負壓在管道承受標準之內，保證供水的安全穩(wěn)定運行。與本文相關的產品有化工隔膜閥構造原理