防水锤型空气阀在长距离输水作用 上海申弘阀门有限公司 之前介绍DRVZ型静音止回阀操作注意事项，现在介绍防水锤型空气阀在长距离输水作用一般来说，长距离输水工程沿线的地形地质情况较复杂、水力元件众多，具有水体惯性时间长、输水量大、受水范围广的特点，系统中任一水力元件过流特性的变化，都将在整个输水系统中产生复杂的水力瞬变现象，一旦发生事故，将会产生严重后果。
防水锤型空气阀在长距离输水作用 在输水管线上布置空气阀，一方面可排除系统内正常运行时的滞留气团，避免弥合水锤对输水系统造成的正压破坏；另一方面，当管线压力出现急剧下降时，空气阀迅速进气，阻断水锤波传播路线，可避免输水系统出现负压破坏［1］。笔者通过数值模拟对空气阀在事故停泵工况下的水力过渡过程进行了计算分析，以确保供水管道安全稳定运行。
1 空气阀数学模型
根据空气流进、流出空气阀的速度不同，空气阀边界条件分4种情况［2］。
空气以亚音速流进：
（1）
式中：为空气质量流量；Cin为进气时空气阀的流量系数；Ain为进气时空气阀的流通面积；ρ0为大气密度；p0为管外大气的压力；p为管内压力。
空气以临界流速流进：
（2）
式中：R为气体常数；T0为管外大气温度。
空气以亚音速流出：
（3）
式中：Aout为排气时空气阀的流通面积；Cout为排气时空气阀的流量系数；T为管内的温度。
空气以临界流速流出：
（4）
当输水管中不存在空气及水压高于大气压时空气阀接头的边界条件就是Hpi（时刻t流出断面i的测压管水头）和Qpi（时刻t流出断面i的流量）的一般的内截面解。当水头降到管线高度以下时，空气阀打开让空气流入，在空气被排出之前，气体满足恒定的完善气体方程：
（5）
式中：V为空穴体积；M为空穴中空气的质量。
在时刻t，可以近似得到式（5）的差分方程：
（6）
式中：Qi为时刻t0流出断面i的流量；Qpi为时刻t流出断面i的流量；Qppi为时刻t流入断面i的流量；Qpxi为时刻t0流入断面i的流量；V0为时刻t0的空穴体积；m0为时刻为t0空穴中空气的质量；为时刻t0流入、流出空穴的空气流量；为时刻t流入、流出空穴的空气流量。
对于式（1）～式（4）需要说明的是，如果工程控制负压（水头）在－5.0m以上，原则上保证了气体流进空气阀的速度不超过临界流速，一旦出现小于－5.0m的负压（水头），可通过加大空气阀进口直径的措施予以解决。
空气阀流动示意见图1。Hp和p之间的关系为
（7）
式中：Ha为大气压强水头（压强水头）；γ为液体容重；Z为空气阀位置高程。 图1 空气阀流动示意 
将式（1）～式（5）代入式（6）整理得
（8）
式中：Bp1、Bm2、Cp1、CM2分别为已知参数。
式（8）是出现空穴时刻t的方程，其中除p是未知量外，其余参数都是已知量，但由于的导数d/dp不是连续函数，因此从式（8）中解出p比较困难。目前国内外普遍采用的方法是：首先将描述的函数式（1）～式（4）和式（7）离散化，然后用一系列抛物线方程来分段近似表示，从而将式（8）转变成为p的二次方程，zui后通过判断解的存在区域来求出相应的二次方程的近似解。
1.防水锤空气阀要垂直安装本阀，立管系统应在zui高点，水平管系统应安装在zui末端；
2.在防水锤空气阀下面加装缓冲塞阀：在管线注满水情况下，因管道压力大，当水流到达管道开孔处，此时管道压力聚集在空气阀底端，在没有安装缓冲塞阀时，过大的水流压力会对空气阀里面的部件产生破坏，进而发生诸如空气阀漏水、不排气等现象，所以建议在空气阀下面特别是在高压管路的排气阀下面加装缓冲塞阀。
3.防水锤空气阀垂直安装于管线上。
2 算例分析
某供水工程管道布置示意见图2，输水系统总长约5.14km，管道直径为0.7m，设计流量为0.438m3/s，设计扬程为83.50m，管材为球磨铸铁管，水锤波速约1000m/s。进水池正常水位为547.50m，出水池正常水位为612.00m，布置4台双吸离心泵（3用1备）。把水泵发生抽水断电作为计算工况。 
图2 某供水工程管道布置示意 2.1 泵站后无调压措施的计算分析
由于泵站及其输水系统全长L约为5.14km，水锤波速约1000m/s，当系统发生水锤时，水锤波的相长约10.28s，因此当水泵抽水断电时，10.28s内流量变化所产生的泵后压力降低，将按照直接水锤公式变化，由此会产生较大的水锤压力。直接水锤公式为
（9）
式中：a为水锤波速；Δv为供水输水干管10.28s之内的流速变化。
由图（3）可知：泵站输水干管1.2s内的流量由0.43833m3/s变化到0.12211m3/s，由此导致输水干管流速由1.140m/s下降至0.318m/s，下降0.822m/s，按照式（9）计算，可能导致压力下降约83.79m。
图3 泵站后无调压措施、水泵抽水断电输水干管流量变化 泵站后无调压措施、水泵抽水断电，变频泵、定速泵后压力水头均为84.99m。由于理论分析忽略了断电水泵与运行水泵之间的压力传递，因此计算结果略大于理论分析值，但计算结果的波形（见图4）与理论分析结果基本一致。由于泵后产生了约85m左右的压力（水头）下降，因此该压力波的传播将导致该泵站后的输水管路沿线出现较严重负压。管路沿线初始压力较低，当水锤波传递至距离泵站约L/4、L/2、3L/4（桩号10+690、11+950、13+300）处时压力可能降低至水流汽化压力以下，导致管道破坏。 图4 泵站后无调压措施、变频泵抽水断电时泵后压力水头变化 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀从图5可以看出，该泵站后无调压措施、水泵抽水断电时，泵后沿线将产生远大于汽化压力的负压，尤其管道后端管中的初始压力很低，一旦通过水锤压力时产生的压力降低将直接导致水流空化，因此需在该泵站后沿线设置平压措施。 
图5 泵站后无调压措施、水泵抽水断电泵后沿线压力变化 2.2 泵站空气阀方案
空气阀的作用是当管道中出现负压时，进排气阀打开向管道中进气来抑制负压，且进气量的大小不仅与空气阀所处的管道中内水压力大小有关，而且还与空气阀孔口面积、水泵泵后阀门的关闭时间密切相关。
该供水工程水泵抽水断电后，如泵后无平压设施，泵后压力水头下降85m，管道承受zui大负压（水头）值为－7.5m。通过理论分析，根据管道承受负压标准以及相关规范规定（在管道沿线凸起点需设置空气阀），该输水系统需设置12个空气阀（进排气阀）。
（1）理论设阀方案抽水断电计算分析。空气阀直径取管道直径的1/12～1/8，即0.0583～0.0875m，建议取大口径0.0875m。对空气阀直径为0.0875m、以60s一段直线关闭变频泵和定速泵的泵后阀门水力过渡过程进行了计算分析。此时管道系统沿线压力水头zui小值为－7.41m，出现在桩号13+982处（桩号13+982处管道压力水头变化过程见图6），变频泵、定速泵对应的泵后压力zui大值分别为146.92、146.93m，停泵后水泵的zui大反转速分别为1747.82、1744.87r/min。可见，理论布设的空气阀满足沿线负压、水泵出口压力及水泵的反转转速等要求。 图6 桩号13+982处管道压力水头变化过程 （2）沿线部分空气阀进气结果。根据上述理论设阀方案分析，较合适的关闭规律为以60s一段直线关闭变频泵和定速泵的泵后阀门、空气阀直径取0.0875m，此时沿线部分空气阀的进气量过程见图7～图10。 图7 桩号9+660处空气阀进气量变化过程 图8 桩号11+270处空气阀进气量变化过程 图9 桩号12+330处空气阀进气量变化过程 图10桩号14+090处空气阀进气量变化过程
FOX防水锤型空气阀是引进 国外新的技术加以改进，吸收消化国外技术，达到国内产品*，形成具有*性、防水锤、复合式功能为一体的多功能空气阀。防水锤空气阀的产品结构设计科学，维护简单，具有在大压差下又能大量高速进排气的功能，防水锤空气阀的空气关闭压力大于0.4MPa不自闭。
延缓排气的功能与实际盘片的有效孔径，均得以试验测量，并在实践当中应用，同时作为水锤分析的边界条件得以普遍应用。
FOX防水锤空气阀是一款真正解决管道当中起伏点出现"水柱拉断"式水锤的有效解决方案。
FOX系列防水锤空气阀
防水锤型空气阀产品性能特点：
防水锤盘片上有2个或多个小孔（可选）,其孔径以及进出气量特性与数套水锤分析软件相接，作为边界条件广泛应用；真正的防水锤设计，采用主动的关闭特性，即当进气过程一旦结束，盘片便自行关闭，而不是被气流所吹,解决了水锤计算理论上的当中关闭的延时等不利条件，并在实践当中证明优于非主动关闭的盘片特性。
FOX防水锤空气阀主要适用于管线当中起伏点受到"水柱拉断"式水锤解决，以及深井泵站的启泵水锤防护。由于部分空气阀是按照相关规范规定（管线沿线凸起点必须设置空气阀）设置的，因此仅在冲水时做排气之用。 3 结语
对于长距离供水工程，尤其是较大流量、高扬程且地形复杂的工程，沿管线合理布置空气阀是防止管道负压破坏的有效措施。笔者针对长距离供水工程中事故停泵和关闭泵后阀门的水力过渡过程进行了数值模拟仿真，通过合理设置空气阀，可有效地控制沿线负压在管道承受标准之内，保证供水的安全稳定运行。与本文相关的产品有化工隔膜阀构造原理 |
