工程中空气阀防护停泵水锤的应用.pdf

9 4 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 2年 第 3 4卷 1 空气 阀及 复合型 空气 阀 根据空气 阀功能的不 同可将其分 为微 量排气 阀、 高速排气／ 吸气 阀、 真空破坏 阀、 复合型空气阀及 注气微排 阀等． 真空破坏 阀、 微量排气 阀、 复合型空 气阀专用于消除空腔溃灭 弥合水锤 ， 可以代替体积 庞大 、 造价昂贵的调压塔 ， 具有效果显著 、 成本低及 节省空间等特点． 复合型空气阀包括高速排气／吸气阀与微量排 气阀复合和真空破坏阀与微量排气 阀复合． 对于高速 排气／ 吸气阀与微量排气阀的组合 ， 当管线充水时， 高 速排气孔 口在小压差 1 0 3 0 k P a 下保持开启状态， 高速而顺利地排出管道内的空气 ， 直至充水完毕； 在 管线有压运行过程中， 则由微量排气 阀排除水流中夹 带的气团 ； 当管 内出现负压时 ， 高速 吸气孔 口快速打 开吸入空气 ， 破坏管内真空， 防止管道受压变形． 对于 真空破坏阀与微量排气阀的组合 ， 专用于断流弥合水 锤的防护． 由于长距离输水工程流量大、 扬程高， 受地 理位置的限制管线具有多处起伏 ， 有些节点标高接近 甚至高出水力坡度线 ． 停泵后 ， 随着上游降压波 的传 播 ， 这些局部高点很容易发生断流弥合水锤 ． 而注气 微排阀的高速吸气孔 口会在管内出现负压时迅速打 开 ， 及时充分地吸入空气消除负压， 并在两股水流弥 合过程 中， 由微量孔 口以较慢 的速度将空气排 出， 缓 冲水流的撞击 ， 控制断流弥合水锤． 需要注意的是高 速排气／吸气阀与微量排气 阀复合虽然也具有消除 管内负压的作用， 但它不可以用来进行断流弥合水锤 的防护 ， 否则当分离水柱 回流时， 之前 吸入 的气团会 不加选择地 由快速排气孔 口排出， 气团的高速排放反 而加剧了两股水流的相撞 ， 并在气体排放完毕的瞬间 产生剧烈的水锤升压． 现以北方某供水工程为例来介 绍复合型空气阀在实际中的运用． 2 供水工程输水管线稳态水力分析 2 ． 1 供 水 工程概 况 北方某供水工程设计总流量为 3 2 0 0 1 ／ s ， 水泵三 用一备， 单台水泵设计流量为 1 1 5 0 1 ／ s ， 设计扬程为 4 5 IT I ． 管线总长约 1 8 k m， 采用 P G C P管 预应力钢筒混 凝土管 、 玻璃钢管和钢管 3 种管材， 管径 D N 1 8 0 0 ． 本 工程输水流量大， 管线走势崎岖不平、 起伏不断 ， 水泵 事故断电后， 大幅度的降压容易使某些局部高点 如膝 部折点、 驼峰、 鱼背 产生负压并引发断流弥合水锤， 整 条输水管线的纵剖面图如图 1中的蓝线所示． 2 ． 2 输水管线稳态模拟分析 输水管线的稳态分析 即是在输水管线末端水池 不加任何调节阀时， 确定输水管线的实际工况能否满 足设计工况的要求． 若不能满足输水要求 ， 则需要进 行末端调流 ， 核算确定其末端调节阀开度． 经稳态模 拟分析后， 供水工程的整条输水管线水力坡度线如图 1中的绿线所示 ， 图 1中， H为高程， L为水平距离． 图 1 管线纵断面图及稳态工况测压管水头线 Fi g． 1 Pi p e l i ne r o u t e p r o f i l e a n d t he pi e z o me t e r t u b e wa t e r h e a d l i ne i n s t e ad y - s a t e c o n d i t i o n 3 供水工程输水管线瞬态模拟分析 停泵水锤的瞬态分析是在输水管线稳态分析的 基础上进行停泵水力过渡过程的计 算 ， 并根据计算 结果制定最佳的停泵水锤防护措施． 3 ． 1 无任何防护措施的事故停泵水锤模拟分析 事故断电停泵， 泵后阀门采用 5 S 关闭 9 0 ％， 4 0 S 第 1 期 詹咏 ， 等 工程中空气 阀防护停泵水锤 的应用 9 5 关闭 1 0 ％的关阀程序． 停泵后 ， 水泵转速骤降 ， 但 由于 关阀及时 ， 未出现倒转现象； 水泵流量和扬程大 幅度 降低． 由图2 可知， 停泵后数秒， 止回阀下游第一个节 点 驼 峰 点 的 压 力 降 至 水 的 饱 和 蒸 汽 压 约 一 1 0 0 k P a ， 一1 0 m ， 水流发生汽化 ， 两股水流发生分 离． 当下游水柱在背压作用下重新 回流时， 压缩蒸汽 空腔， 腔内压力大于水 的饱和蒸汽压 时， 蒸汽转为液 相的水 ， 空腔溃灭 ， 释放大量的能量， 断流弥合水锤引 发的剧烈高压 约 2 ． 1 1 0 。 P a ， 2 1 0 m， 见图 2 将对管 道造成严重的破坏． T为时间． 由图 3可知 ， 管线下游 局部高点均发生不同程度的断流弥合水锤， 管线最高 压力已超过管道的最大承受压力 ， 容易引发多处爆管 事故． 图2 止回阀后第一个节点水击压力历时曲线 Fi g． 2 W a t e r h a mme r p r e s s u r e d ur a t i o n c ur v e o f t h e f i r s t n o d e a f t e r t h e c h e c k v a l v e s 图 3 事故停泵后整条 管线 的水 头包络线 Fi g． 3 He a d e n v e l o p e c u r v e o f wh o l e p i p e l i n e a f t e r t h e p u mp i n g a c c i d e nt 3 ． 2 工程 中空气阀口径和位置选择 3 ． 2 ． 1 空气阀的 3个功能 口径选择 系统稳态工况下 ， 管线最高节点 的工作压力为 1 1 8 k P a ， 以该点为例 ， 进行空气阀口径选择 ． a ． 微量排气孔口的选择． 计算排气量 Q _2 ] ． Q -o - 0 2 Q 0 ． 0 23 ． 2 璺 5-0 ．1 3 8 5 m3 ／ s 1 0 1 ．3 25 式中， Q为管内水流量 ； △ P为管线工作压力 ． 然后查表[ 2 ] 得微量排气 口径为 2 5 mm． b ． 高速排气孔口的选择． 按文献E 2 J 中的规定， 取最 大 充 水 压 力 为 1 3 ． 8 k P a ， 充 水 流 速 为 0 ． 3 m／ s ， 计算求得充水时所需排气量 Q 。 L 2 ] ． 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 2年 第 3 4卷 r、 △P 1 0 1 ． 3 2 5 s g Q 。 1 0 6 垒 0 ．8 6 s m ／ s 式 中， q为流水流量 ； AP 为流水压力 ； D为管径 ． 查表_ 2 得 ， 高速排气 口径为 1 0 0 I T I IT I ． 但 由文献 [ 2 ] 中的表格数据可知 ， 8 6 8 m3 ／ s的排气流量 ， 采用 1 0 0 I T I 1 T I 的高速排气 口径时 ， 所对应 的充水 压力为 1 4 k P a ， 略大于文献[ 2 ] 中规定 的充水压力要求 ， 所 以， 在工程应用 中宜选用防吹堵的动力式排气 阀． c ．高速吸气孔 口的选择 ． 管线 的最高节点两侧 的最大坡度 为 0 ． 0 1 3 ， 谢才系数取 1 2 0 ， 计算所需吸 气量 。 ] Q 6 ． 91 0 C 6 ． 9 X 1 0 X 1 2 0 X、 1丽 1 2 ． 9 7 7 m3 ／ s 式中， C为谢才系数 ； S为管线坡度 ． 以最大允许真空度 3 4 ． 5 k P a 和 1 2 9 7 7 1 ／ s的排 气流量， 查表E 2 ； 得 ， 吸气孔 口为 3 5 0 mm． 按上述方法 亦可求得其它各节点的相关空气阀的 3 个功能 口径． 3 ． 2 ． 2 空气阀的选址 以前面计算所得 的各类 空气 阀孔径为基础 ， 对 照图 2 ， 选择空气阀相应的安装位置 ， 在管线上发生 断流弥合水锤的局部高点安装注气微排 阀， 对于其 中的部分节点需要另行安装高速排气／ 进气阀， 这样 既可以防止断流弥合水锤 ， 又可 以保证管道充水和 有压运行时的顺利排气 ， 需要注意 的是在充水完毕 后 ， 必须将高速排气／ 进气阀手动关闭， 否则 ， 整个 阀 组将丧失断流弥合水锤的防护作用． 另外 ， 为保证管 道顺利充水 ， 并有效排 除管道有压运行过程 中不断 积存的气团， 在管线上未发生断流弥合水锤的局部 高点 、 管段上坡段 、 下坡段和平缓段以合理的问隔安 装复合型空气阀 ， 具体布置如图 4所示． 图 4 沿线 空气 阀布 置图 Fi g ． 4 Ai r v a l v e s l a y o u t a l o ng t h e p i p e l i ne 3 ． 3 安装复合型空气阀后的事故停泵水锤模拟分析 在合理安装注气微排 阀和复合型空气阀后 ， 整 个管路 的负压状况得到 了显著 的改善 ， 由图 5可 以 看出， 止 回阀后局部高点处负压已经 由于安装注气 微排阀和复合型空气 阀后而消失 ， 没有产生断流弥 合水锤 ， 高压值明显下降． 图 6表明止回阀后局部高 点处管段拉空现象非常严重 ， 空气阀大量 向管路 中 注入空气 ， 防止管路中产生较大负压 ， 有效地保护了 管路 ， 随着瞬态过程的逐渐趋缓 ， 管段中拉空长度也 逐渐减小 ， 注入空气量也逐渐减小 ． 表 1说明管段部 分局部高点在安装复合型空气阀前都不同程度地产 生了断流弥合水锤 ， 水锤升压 远远高 于管路允许压 力值． 在安装复合型空气 阀后 ， 负压 明显得到控制， 有效防止了断流弥合水锤的产生， 水锤升压显著降 低 ， 有效地保护 了管路 ． 表 1中的 A 05 8 0 ， A 3 9 8 0 ，A 99 6 0分别表示节点 ， P 和 P 为安装空气 阀前 节点最低压力 和最高压力 ， P 和 P 为安装 空气 阀 后节点最低压力． 图 5 止 回阀后节点 安装 空气阀后水击压力历 时曲线 Fi g ． 5 W a t e r h a mme r p r e s s u r e d u r a t i o n c ur v e a t t h e no d e o f c h e c k v a l v e s a f t e r i n s t a l l e d a i r v a l v e s 第 1期 詹咏， 等 工程中空气阀防护停泵水锤的应用 9 7 图 6 止 回阀后节点处空气 阀内空气 变化 历时 曲线 Fi g． 6 Ai r v a r i a t i o n d ur a t i o n c u r v e i n t h e a i r v a l v e s a t t he n o d e a f t e r c he c k v a l v e s g o 80 7 0 6 0 旨 ＼ 毫 5 0 4 0 3 0 和最高压力． 图7 表明在整条管路中合理安装复合 型空气 阀后 ， 管路负压被有效地控制 ， 整条管线没有 产生较高的水锤升压 ， 水锤 防护效果达到预期效果 ． 表 1 管路中部分节点安装复合型空气阀 前后压力计算结果 Ta b ． 1 Pr e s s u r e c al c ul a t i o n r e s u l t s b e f o r e a n d a f t e r i ns t a l l e d c o mb i n a t i o n a i r v a l v e s i n p a r t n o d e s o f p i p e l i n e 圈 7妥 装 空 气 阀后 整 条 雷 线 的 水 头 包 络 线 Fi g ． 7 He a d e n v e l o p e c ur v e o f who l e p i p e l i n e a f t e r i ns t a l l ed a i r v al v e s 4 结 论 破坏 线 9 0 ％以上盼排气任务应该是微量 a ．对微量排气 阀而言 ， 在经济和施工条件允许 排气 ， 所 以， 微量排气 阀才是管线运行工况下排气的 的情况下， 其安装布置的密度越密越好； 对高速排气 主要设备， 不应忽视微量排气阀的重要作用 阀而言， 其孔 口直径需合理地选择 ， 排气 口径需满足d 排气阀是管线的重要组成部分 ， 其成本仅 占 排气速度与充水速度协调一致 ， 不产生排气阀快速 管线总投资 的 0 5 ％左右 ， 但其经济效益 可能达到 关 阀水锤 ； 对高速吸气阀而言， 在一定条件下 ， 其孔 5 ％以上 ， 应引起设计工程师和运行管理人员的足够 径越大， 吸气量越大 ， 吸气速度越 及时 ， 管线 内产生 重视 的负压越小 ． 参考文献 b ．在管线上可能产生断流 弥合水锤 的局部 高 点 ， 需要安装“ 注气微排 阀” ， 而普通 的空气／ 真空 阀 E l i 金锥， 姜乃昌， 汪兴华．停泵水锤及其防护[ M] ． 北京 虽然可以在负压时吸进足量的空气 ， 但在水柱 回流 中国建筑工业出版社， 2 0 0 4 ． 压缩吸人空气时又会 自由快速地将其排出， 因此， 非 E 2 ] 安荣云． 长距离加压输水工程的停泵水锤防护研究 但不能消减断流弥合水锤 ， 反而会加重该类水锤 的 [ D ] ． 上海 上海理工大学， 2 0 1 0 ． 娼 M 埘 加 m 阀 如 船 的