（一）蝶阀防护
液控蝶阀是供水管路中应用越来越广泛的一种阀门型式，特别是中型和大型蝶阀。新型液控蝶阀在水泵启动时能迅速打开，保证水流通畅；工作和运行中，阀门阻力小，能耗低；停泵时阀门能有最佳的关闭特性，不但能阻止水倒流防止泵的飞逸反转，而且能使关阀水锤最小。一般来讲，两阶段关闭液控蝶阀有重锤式和蓄能式两种形式。下面重点以国内相关阀门厂生产的重锤式液控蝶阀为例介绍其构造和工作原理。
1.重锤式液控蝶阀的特点
重锤式两阶段关闭液控蝶阀的外形图如图3-12所示。该阀是在引进国外产品的基础上，在性能上经过改进和完善的产品，是目前国内外先进的管路控制设备。它能按预定程序实现机组联动，远距离自动控制；自动保压不掉锤，蝶板不抖动，流阻小；具有可调快关、慢关两个阶段；采用重锤、利用地心引力，液压系统大大简化；根据用户需要，可在全开位置设置可靠的机械锁定装置；密封可根据用户需要采用硬密封或软密封；若用户对电气控制有网络通信要求，可采用先进的可编程序控制器（PLC）控制。表3-1为重锤式两阶段关闭液控蝶阀的主要技术参数。
图3-12 重锤式两阶段关闭液控蝶阀
表3-1 重锤式两阶段关闭液控蝶阀的主要技术参数
液控止回蝶阀是目前国内较先进的控制设备，主要用于水电站、供水工程以及电力、石油、化工、冶金、矿山等其他各类工程项目的安全控制中，安装在水轮机进口或水泵出口管路，作截止、止回之用。该阀具有以下特点：
（1）能按程序启闭；在正常供电和突然断电情况下均能自动按预定的时间和角度分快、慢二阶段关闭；调节范围大、适应性强。
（2）可消除破坏性水锤、防止水泵和水轮机发生飞逸事故，有效地降低了管网系统的压力波动，保障设备的安全可靠运行。
（3）该阀可取代水泵出口原电动闸阀和止回阀的功能，减少占地面积及基建投资。同时其流阻系数为0.24～0.6，远小于止回阀的流阻系数（1.7～2.6），节能效果明显。
（4）该类型的液控止回蝶阀产品均以不同方式解决了国内类产品在运行过程中重锤下掉的缺点，大大增强了系统的可靠性和安全性。同时，该公司还可根据用户的特殊要求单独进行设计，多方位满足广大用户对该类产品的需要。
2.二阶段关闭液控蝶阀的防护原理
在事故停泵的水力过渡过程中，当水泵处于正转正流的水泵工况下减速运行时，管中流速减小，压力降低，在这种情况下，阀的关闭相当于上游端的关阀过程，此时关阀将加剧压力降低，但由于蝶阀在大开度范围内，其开度系数τ的变化率很小，故降压并不明显；当水流开始倒泄后，水泵逐步减速至零并开始反转，此时阀的关闭相当于末端阀的关闭过程。因此，事故停泵后，阀门先快关至一定角度，以控制最大倒泄流量和最大倒转转速；在第二阶段，阀门缓慢关闭至全闭，由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，从而到达控制最大水锤升压的目的。
图3-13 液控蝶阀两阶段关闭过程
液控蝶阀两阶段关闭程序的确定如下：
（1）任意时刻阀门的关闭角度φ。设蝶阀快关时间为T1，快关角度为φ1，慢关时间为T2，慢关角度为φ2，如图3-13 所示，则任意瞬时T 的关闭角度可由以下方法求得：
缓闭阀关闭后的αP、βP 值可由下述两式解出，即
联立解得
由式（3-100）可解出βP 值。
（2）阀门阻力系数ζ。阀门的阻力系数根据试验测定ζv ＝f（φ），由于其关系很难用数学关系表达，在计算中根据试验测定的阀门阻力系数与关闭角度的关系曲线以数表方式输入。任意瞬时的关闭角度φ，其阻力系数ζv 值可由相临点的已知数据采用分段二次插值法求得。
一般由生产蝶阀的厂商提供阀门关闭角度及阻力系数曲线。将该值以数表的形式输入计算机。对于任意一个子区间［φk－1，φk＋1］（对应三个节点φk－1，φk，φk＋1）可构成二次插值多项式
对不同的关闭角度可求出相应的阻力系数ζvi。
在计算时，当插值点φ后，为使误差减小，需要选择φ最接近的3 个点作为φk－1、φk、φk＋1，即选定下标k 的值。其方法是：设φ位于φi－1和φi之间，如果φ靠近φi－1，既φ－φi－1≤φi－φ时，则选φi－2、φi－1为节点，这时取k＝i－1；如果φ靠近φi，既φ－φi－1＞φi－φ时，则选k＝n－1，综上所述，可得取k 值的判别式：
（3）瞬态过阀水头损失。任意瞬时过阀水头损失可由式（3-103）计算求得。
其中
式中 ΔHPv1、ΔHPv2——分别为1 号、2号泵出口缓闭蝶阀瞬态过阀水头损失；
ζv1i、ζvv2i——分别为1 号、2号泵出口缓闭蝶阀瞬态过阀阻力系数；
A1、A2——分别为1 号、2号泵出口缓闭蝶阀断面积。
在阀门的调节范围内，快关角度、快关时间、慢关角度和慢关时间可有无穷多种组合。根据两阶段关闭蝶阀的特征，建立了两阶段缓闭蝶阀计算的数学模型。一般情况下，取快关时间等于或接近于正转正流水泵工况达到流量为零的时间，慢关时间约为快关时间的4～7倍。利用电子计算机求解，对不同的泵站可求得蝶阀的最优操作程序，从而使两阶段关闭蝶阀在事故停泵的水力过渡过程中按照最优的关闭时间和关闭角度，以达到供水工程安全、经济运行的目的。
（二）进排气阀防护
长输水管路的凸起处在停电和停泵后水压常常降到蒸汽压力以下，引起液体局部汽化产生空泡，出现水柱拉断现象（也就是产生真空），为了保护管路，沿管路凸起处可以设置进排气阀。进排气阀的作用是当阀门处管内压力降低到低于大气压（或预先规定的最小压力）时，阀门打开让空气进入：当管内水压增加到大气压以上时，阀门允许空气逐渐流出。在一般情况下，这种阀门不允许液体漏入大气，在排除管道中的空气时具有自动关闭的功能。下面重点以国内生产的全压高速排气阀为例介绍其构造和工作原理。
1.进排气阀的结构和工作原理
进排气阀的构造如图3-14 所示；由上图可知该进排气阀主要由壳体、浮筒、排气盖板、进气盖板、液压缸等部件组成，当阀体内存在气体时，浮筒下降，带动活塞动作，使排气口盖板上的控制膜片因导管通大气而失压，盖板在内压作用下开启，管道存气即可高速排出。当气体排净后，浮筒上升，控制膜片的导管与壳体内压连通，盖板受膜片压力作用复位，封住排气口。当管内出现负压时，进气口盖板打开进气，以防污水进入管内。
图3-14 进排气阀的结构图
1—液压缸；2—活塞杆；3—排气盖板；4—排气口；5—壳体；6—浮筒
进排气阀的特点：
（1）对压力在2.5MPa以下的有压气体，可高速排出管外，无论是否多段水汽相间。
（2）注气口与浮球阀分两室，浮球起落不受排气口高速气流的影响，可避免跑水不起球或气流太快带起浮球的常见故障。
（3）浮球不顶在排气口上，不存在卡球的问题。
（4）快开缓闭，排气彻底，可提高管道过水端面利用率，减阻节能安全供水。
（5）少量气体可通过微孔排出，管道出现负压时可迅速注气，防污染并缓冲水锤升压。
进排气阀工作过程具体包括以下几个步骤。
（1）水泵启动过程中，阀体内未充水时，阀体内的浮球因自重而下落，气孔处于开敞状态；随着泵工作扬程的升高，管道充水，浮球浮起，管道中的空气排出。
（2）管道及阀体内空气全部排除，阀体内充满水；若管道中压力高于大气压，浮球在管中压力的作用下阻塞排气孔，管中水不会排出阀体外。
（3）水泵在运行过程中，若溶于水的空气离析出来，积蓄在进排气阀附近，则浮球因失去浮力而下落。若空气量较少，则小孔的浮球下落排气，若空气量较多，则大孔的浮球下落排气。排气完毕，浮球恢复到关闭排气孔的位置。
（4）事故停泵后，管中压力降低形成负压时，尽管阀体内充满水，但由于阀内压力低于大气压，在大气压于管中压力之差的作用下，浮球下落，进行补气。补气过程中，大孔的浮球先下落，当压力降低较大时，随即小孔的浮球下落。由于两个浮球的下落时间不同，缓冲了管道中的压力波动。
（5）当水泵进入制动耗能工况时，管中压力增加，水流开始倒流，浮球浮起，进行排气，直至进排气阀内充满水，关闭排气孔。关闭过程中，由于大小排气孔的压力作用不同，大孔的浮球先顶起关闭，然后再关闭小孔，延缓关闭过程，缓和水柱再弥合时的压力上升。
由于进排气阀采用补气的方法来防止管道中因负压而造成的水锤事故，因此具有构造简单、造价低、安装方便、不受安装条件限制等优点；但是，由于进气和排气的两相流过渡过程的影响因素复杂，管道中排完空气时，可能出现水柱弥合，尽管这种水柱弥合与管道中因压力降低汽化压力而引起的水柱分离及其再弥合有所不同，但由此引起的压力升高也应给予足够的重视并加以分析研究。
2.进排气阀的边界条件
进排气阀的边界条件是相当复杂的，但在通常特征线法的范围内仍可以处理。为了分析方便，先作如下一些假定：
（1）空气等熵的流进流出阀门。
（2）管内空气的变化遵守等温规律，这是由于管内空气质量通常很小，而管道面积和流体的表面积很大，这就提供了一个大热容，使气体的温度接近液体的温度。
（3）进入管路的空气留在它可以排除的阀附近。
（4）流体表面的高度基本不变，而空气的体积和管段里的液体体积相比很小。
流过进排气阀的空气质量流量取决于管外大气的压力Pa （绝对压力）、绝对温度Ta，以及管内的绝对T 和压力P （绝对压力），分下述4种情况。
（1）空气以亚声速流入。
（2）空气以临界速度流入。
（3）空气以亚声速流出。
式中 Cout——排气时阀的流量系数；
Aout——排气时阀的流通面积。
（4）空气以临界速度流出。
如图3-15 所示，当不存在空气及水压高于大气压时，空气阀接头处的边界条件就是HPi和QPi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，气体满足恒定内温的完善气体方程
式中 V——空穴体积。
在t 时刻，式（3-110）可以近似为
式中 V0——时刻t0 的空穴体积；
Δt——由特征线方法的稳定性条件确定；
Qi——时刻t0 流出断面i 的流量；
QPi——时刻t 流出断面i 的流量；
QPXi——时刻t0 流入断面i 的流量；
QPPi——时刻t 流入断面i 的流量；
Ma0——时刻t0 空穴中空气的质量；C＋和C－相容性方程为
图3-15 进排气阀的工作原理图
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HP 和P 之间的关系是
式中 Ha——大气压头（绝对压头）；
γ——液体容重；
Z——空气阀位置高程。
将式（3-112）和式（3-113）代入式（3-114）得
这就是出现空穴时刻t 时要解得方程。在方程中除P 是未知量外，其余参数都是已知量。不过，由于气体质量流量Ma 的导数dMa/dP 不是连续函数，从式（3-114）中求出P 的解不是一件容易的事。目前国内外普遍采用Wylie和Streeter提出的方法求解，该法的基本思想是：首先将描述Ma 的函数式（3-113）和式（3-114）离散化，然后用一系列抛物线方程来分段近似，从而将式（3-114）转化为P 的二次方程，然后通过判断解的存在区域并求解相应的二次方程得P 的近似解。一般需要经过几次这样的过程才能确定P 的解。这种方法的不足之处是计算程序复杂，且收敛性较差。
下面介绍中国水利水电科学研究院杨开林博士提出的一种新的求解方法。
将式（3-114）改写为下述形式
由于函数F 中只有压强P 是未知量，由牛顿—莱福笙迭代法，式（3-115）可以近似为
即
式中 δ——Pr 的微小增量，可取δ＝10－7。
求解时刻t 水压P 的计算步骤如下：
（1）计算系数C1、C2 和C3。
（2）取压头的初始值P＝P0 （时刻t0 的值）。
采用上述计算程序，只要迭代次数足够多，计算总是能够收敛的。在一般的情况下，经过几次迭代就可以满足计算精度要求，但在个别情况下，当P 的变化幅度很大时，计算收敛速度较慢，需要较多的迭代次数。
（三）水锤消除器防护
水锤消除器是国内供水工程中使用较广的一种水锤防护装置，它是20世纪60年代研制成的。经过多年的使用证明：它是一种较好的水锤消除措施。水锤消除器实际上是具有一定泄水能力并适合于泵站停泵水锤压力变化过程的安全阀。消除器的基本原理是在水泵断电后，管路中出现的低压的短促时段内，水锤消除器阀门以迅速动作，呈开启状态，待倒泄水流到达，管道产生突然压力升高的瞬间，迅速按照要求，释放一部分管道中的压力水，以缓冲压力上升，从而到达防止水锤的目的。
水锤消除器的种类很多，常用的有以下几种形式：①巴宾式水锤消除器；②下开式水锤消除器；③自动复位式水锤消除器；④储气式水锤消除器；⑤溢流阀式水锤消除器。目前国内应用的消除器绝大多数是下开式，所以下面以下开式水锤消除器为例说明其工作过程。
图3-16 下开式水锤消除器示意图
1—逆止阀；2—排水口；3—分水锥；4—阀板；5—主管道；6—闸阀；7—重锤；8—密封圈
1.下开式水锤消除器的结构和工作原理
如图3-16 所示，当管道正常工作时，管内工作压力作用在阀板4上的浮托力大于阀体自重和重阀7的重力所产生的下压力，阀板和密合圈8相密合，消除器处于关闭状态；一旦事故停泵时，管内压力下降，托住阀板的上托力减小，由于重锤的下压，阀板迅速下落到分水锥3 内，水锤消除器打开。当水锤压力波到达消除器时，可从其排水口5 释放出一部分水量，从而减小水锤压力。这种水锤消除器结构简单，动作可靠，开启迅速，并且不发生二次水锤，但在使用中要注意加强维护。下开式水锤消除器的进口直径d 的计算公式为
式中 D——主管道的直径，mm；
H1——管道允许的水压值，可采用管道的试验压力，m；
v0——管道正常流速，m/s。
2.下开式水锤消除器的边界条件
在实际工程中，通常在逆止阀出水侧装设下开式水锤消除器，当事故断电管中压力降低时，水锤消除器打开，管中水从其排水口放出一部分，从而减少了水锤升压值，其装置如图3-17 所示。
图3-17 水锤消除器布置示意图
1—逆止阀；2—水锤消除器；3—消除器活塞
设P、V、i、x 和θ分别是水泵出口断面、逆止阀出水侧断面、管路起始断面和水锤消除器进、出口断面。当机组事故断电后，水泵转速n、转矩M、流量QP、HP 均随时间而变，逆止阀迅速关闭，管中压力下降，当管中压力降至水锤消除器的预定开启压力HK 时消除器活塞3 下降开始泄水。这时，如果逆止阀尚未全闭，水正向流动，只要在逆止阀后不出现真空，水流一直从消除器外泄；如果管中水流惯性消失，水在重力作用下开始倒流，则一部分水将通过逆止阀而流入水泵，一部分水通过消除器外泄；如果在活塞开启时，逆止阀已关闭，则管中水流在重力作用下从消除器泄水，直至稳定或减少至零为止。
在这一水力过渡过程中，在边界处共有10个变量，即
如前所述的水泵的nP、MP、QP 和HP；
逆止阀出水侧的流量QPV和水头HPV；
水锤消除器进口处的流量QPx和水头HPx；
管路起始端的流量QPi和水头HPx。
为此，必须列出10个方程式联立求解，除了前面已经列出的方程外，还需要列出7个方程式，即
对管路起始断面，可列出水锤负特征线方程：
式中 Z——机组并联台数；
其余符号意义同前。
根据连续方程式可写：
对逆止阀前后可写（参看图3-17）：
式中
而
式中 ξV——逆止阀在某一开度面积AV 时的阻力系数。
对水锤消除节点处有：
对消除器进口断面x 和出口0可列出波诺里方程式：
式中 Ax、A0——分别为消除器进口和出口断面面积；
hf0s——水锤消除器的过流损失水头。而
式中 ∑ξ——水锤消除器的各水力阻力系数之和。
又因为：Q0＝QPx；H0＝0，将上式简化后得
而
根据上述方程式可得
由式（3-125）和式（3-127）得
将上式QPi代入式（3-127）中得
根据前述的相关方程可得
可以看出，在式（3-129）和式（3-130）中，只有两个未知数αP 和vP，所以可用前述的迭代法求解，但在用公式计算dαP 和dvP 时。必须求出F1 和F2 对αP 和vP 的偏导数，因此，对式（3-129）和式（3-130）分别求其相应的偏导数：
求出αP 和vP 值后，即可求出nP、QP 以及QPx和HPx的值，然后根据这些已知值及管路断面处已知的Q和H 值求出下一时段的各断面的有关值，依此类推，直至所需计算时间为止。
为了计算方便和清晰起见我们把确定管路各断面和管路出口断面的有关值作为主程序，把计算水泵出口、水锤消除器结点和管路起始断面Ⅰ的有关工作参数作为子程序进行模拟求解。
（四）超压泄压阀防护
如图3-18 所示的超压泄压阀，是一种新型水锤消除措施，其部件如表3-2 所示。它安装于输配水管线，以防止水压过高而引起管道系统危险。该阀能够在管道内压力超过预先整定的释放压力时，阀门迅速开启，释放超高压的压力峰值，并在5～20s内自行关闭。其释放压力值可以调节设定，一般设定为正常压力的1.3 倍。超压泄压阀一般安装在支管路上，其直径一般是主管路的1/4～1/5 倍。
图3-18 超压泄压阀结构示意图
表3-2 超压泄压阀的部件
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