某输水管道空气阀布置方式和形式优化研究

谢 忱，闫士秋，杨丙利

(1.山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东 胶州 266300；2.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100)

我国水资源分布不均，远距离输水工程在我国修建较多，对缓解我国部分地区水资源短缺问题和实现水资源重新分配具有重要作用。在输水方式中，管道被经常采用，而管道破裂事件也时有发生，一旦出现这些事件，将会给人们的生产、生活造成重大影响。分析其破坏原因，很大部分是水柱分离和水汽溃灭产生了再弥合水锤，而在管道设计阶段，没有针对该问题进行详细深入的分析和研究。在实际运行中，如果管道阀门启闭不合理，很容易导致水锤压力过大，影响管道的安全运行。对于一些距离较长的输水管道而言，尤其是布置在高低起伏的地面上，在对这些管道进行水锤防护时，往往较为困难和复杂。为了对管道的水柱分离和断流弥合水锤进行预防，采用空气阀是一种较为有效的措施。Stephenson在研究水锤破坏作用的过程中，重点针对快速关闭阀门时的水锤破坏作了分析，得出应用空气阀可以较好地避免这种破坏的发生。杨开林等对管道水流由于水锤压力而导致水体汽化和溃灭的过程进行了研究，得出汽化到溃灭产生的破坏作用较为严重。赵秀红对缓慢关闭管道控制阀时空气阀对防护水锤的作用进行了研究。但是在空气阀的布置方式和形式上，目前主要根据已有类似工程的经验进行，相关研究不多，尤其是布置优化的研究较少。

本文在研究中，以某长距离输水管道为研究对象，对空气阀的布置方式和形式进行优化，采用正交试验法，确定各试验因素和各因素的水平，制定试验方案，采用Fluent软件进行模拟分析，并绘制负压水头变化曲线。以管道的负压水头代数和为控制指标，采用极差分析法，确定空气阀的最优组合方式，并对最优组合进行模拟试验，结合分析结果，给出空气阀布置方式和形式的优化结果，以期不发生管道水体汽化、水柱分离、再弥合水锤，并指导类似管道设计。

1 工程概况

某输水管道位于山东某地区，主要用于为某工业区供水，管线总长约4.4km。管道上游进水口和水库连接，对应高程为223m，管道下游出水口高程为125m，进水口和出水口高程之差为98m。管道材料为球墨铸铁管，管壁厚度为15mm。根据设计流量2.77m3/s及其他条件，确定管道的直径为800mm。管道沿线采用整体锚固方式予以固定。结合设计资料，计算出管道的水锤波速为993.8m/s。为了对管道水流进行控制，将一个具有两阶段控制的蝶阀设置于管道出水口上游320m处的位置，该蝶阀的启闭有快关和慢关两种模式，快关时间为35s，关闭率为75%；慢关时间为100s，关闭率为100%。和管道尺寸对应，空气阀的直径也为800mm，经分析研究采用复合式空气阀，允许水头差为3.5m。通过实地测量，并利用Fluent软件进行分析，绘制出该输水管道的纵向位置和稳定运行过程纵向压力水头的变化曲线，该纵向压力水头变化曲线为不设置空气阀情况，具体如图1所示。

图1 管道纵向位置和纵向压力水头变化曲线

2 试验布置方案和模拟结果分析

为了对空气阀的合理布置方式进行研究，采用正交试验方法。为了衡量空气阀的控制效果，采用的试验指标是管道的负压水头代数和。根据各方案的情况，利用Fluent软件研究水柱分离、水锤的防护和减弱效果。在进行正交试验时，结果会受试验因素和各试验因素之间关系的影响，但是对于远距离输水管道而言，实际的空气阀安装距离通常较大，一般都大于500m，空气阀相互影响的作用可以忽略。本工程属于长距离管道，在进行正交试验的过程中，可以采用极差分析法对试验结果进行分析处理。

2.1 试验布置方案

根据相关技术规范和该工程实际情况，拟定6个空气阀布置位置，编号分别为V1—V6，但最终空气阀的布置个数根据研究结果来确定。整个管道设置一个控制蝶阀，以空气阀和控制蝶阀为分界点，将整个管道分为8个管段，分别编号为L1—L8。图2为管道布置简图。

图2 管道布置简图

在正交试验中，确定的试验因素是6个空气阀的布置方式和形式，每个空气阀可供选择的方案有5个，即每个因素对应的水平有5个，分别为：该位置不设置空气阀；该位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径4.8mm；该位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径12.7mm；该位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径200mm、微量排气孔径4.8mm；该位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径200mm、微量排气孔径12.7mm。5个水平分别用序号1、2、3、4、5表示。确定的正交表为L25(56)，由此可得到各因素水平的组合和试验方案，见表1。

表1 各因素水平组合和试验方案

以方案10为例，对试验方案的含义予以说明，方案10表示：V1位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径4.8mm；V2位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径200mm、微量排气孔径12.7mm；V3位置不设置空气阀；V4位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径4.8mm；V5位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径12.7mm；V6位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径200mm、微量排气孔径4.8mm。其余方案的数字含义以此类推。

2.2 模拟结果分析

由于阀门关闭引起的水锤破坏是自流管道经常出现的，根据前文所述的控制蝶阀关闭方式，对各个方案进行模拟。这里以方案6为代表，给出方案6的模拟结果，并提取数据，用曲线进行表示，如图3所示。

图3 方案6管道最大压力水头和最小压力水头变化曲线

从图3中可以发现，最大水锤压力出现在蝶阀上游位置处，压力水头为390m，作用于管壁的压强为2.6MPa，满足铸铁管的承压能力；在桩号4350m处，出现最小压力水头116m，对应最大负压为10.01m；在桩号2000～2900m范围内，管道内没有负压，其余桩号范围内均有负压出现，在管道全范围内，负压之和等于-369.1m。对于常温下的水而言，它的汽化压力水头为10m，最大负压水头10.01m略大于汽化压力水头。所以水柱分离和水汽溃灭产生的再弥合水锤很可能会在管道中发生，管道的安全运行将会受到影响。

2.3 极差分析

对每个试验方案进行模拟，得到各试验方案的管道负压水头代数和，运用极差分析法对试验结果进行分析。表2为极差分析结果。

表2 极差分析结果

根据极差计算结果，6个空气阀布置方式和形式的主次顺序为V6>V3>V4>V5>V1>V2，对应的最优组合是(V1-5，V2-1，V3-1，V4-2，V5-2，V6-3)，即V1位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径200mm、微量排气孔径12.7mm；V1位置不设置的空气阀；V3位置不设置的空气阀；V4位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径4.8mm；V5位置设置的空气阀形式同V4；V6位置设置的空气阀形式是高速进排气孔径100mm、微量排气孔径12.7mm。根据最优组合进行试验，得到试验结果，如图4所示。

图4 最优组合的管道最大压力水头和最小压力水头变化曲线

从图4中可以发现，采用最优组合，最大水锤压力出现在蝶阀上游位置处，水头为390.5m，作用于管壁的压强为2.61MPa，满足铸铁管的承压能力；在管线全范围内，L1段、L3段、L6—L8段均出现负压，但负压均较小。除在桩号4350m处出现最大负压水头10.008m，其余负压水头均小于9.0m。由于最大负压略大于常温下水的汽化压力，管道可能会出现水柱分离和水汽溃灭产生的再弥合水锤，管道的安全运行会受到影响。因此有必要进一步对空气阀的布置方式进行优化。经过分析，桩号4350m处负压较大的原因可能是L7—L8段管线较长，只有一个蝶阀，无法有效地控制管道负压。据此，拟在L7—L8段增设一个空气阀，其位于蝶阀下游160m，选择的形式为高速进排气孔径100mm，微量排气孔径4.8mm。结合最优组合和增设的空气阀进行试验，试验结果如图5所示。

图5 蝶阀下游增设空气阀后的管道最大压力水头和最小压力水头变化曲线

从图5中可以发现，最大负压出现在L7段内，其水头为7.6m，全管道范围内的负压水头均较小，都在常温汽化压力水头以下，且有超过一半管段都没有负压。因此通过在蝶阀下游增设一个空气阀，能够有效地防止水体汽化，保证管道不会出现水柱分离和水汽溃灭产生的再弥合水锤，对确保管道的安全运行起到了显著的作用。

3 结论

本文对某输水管道空气阀布置方式进行优化研究，得到以下结论。

(1)基于正交试验法，选择了6个空气阀的布置方式和形式，以此作为试验因素，确定了25个试验布置方案，以管道负压水头代数和为控制指标，满足了研究目的。

(2)利用Fluent软件对每个方案进行模拟分析，极差分析法的结果表明：6个空气阀布置方式和形式的主次顺序为V6>V3>V4>V5>V1>V2。

(3)以最优组合为基础，在蝶阀下游增设一空气阀，并再次进行模拟试验。结果表明：全管道范围内的负压水头均小于常温汽化压力水头，保证管道不会出现水柱分离和水汽溃灭产生的再弥合水锤，满足了管道的安全运行要求。