气爆泉设备及供配气系统设计
全文发表于《喷泉与水景》2022年3月第1期刊
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随着国内经济的高速发展，人们对高品质生活的需求日益增加，国内新建了很多水景喷泉项目，丰富了人们业余文化生活的同时也在国家各大盛事中绽放光彩。在此过程中诞生了很多先进的喷泉设备，气爆泉就是其中之一。新建中大型水景喷泉项目中气爆泉应用很广泛，但性能和表演效果能展现气爆泉应有的观赏效果的并不多。并且在设计、施工中对系统配置、设备性能标准要求不清晰。现就恒源喷泉对气爆泉多年的研究及实际使用对气爆泉设备及使用进行剖析。
一、气爆泉的工作特性
气爆泉是利用压缩空气作为动力，快速将水挤压喷射至空中，形成一根快速挺拔的水柱，水柱尾部切断清晰，在空中形成一根脱离喷嘴的水柱，并伴有清脆的爆鸣声。气爆泉不仅是区别于以水泵为动力的喷水形态，更重要的是通过节能的驱动方式，产生更高更气势磅礴的水柱。气爆泉利用水的不可压缩性和压力传递性与空气的可压缩性完美结合，利用压缩空气储存能量的释放，持续推动水体喷射至空中。如下图所示：喷高80m气爆表演实景。
二、气爆泉设备的结构组成及参数计算
气爆泉设备由喷嘴、水室、气室、电磁阀及连接管件等组成，如图1。
图1、气爆泉基本机构组成
1、水室设计
气爆泉设备工作时通过压缩空气将水室内的水经加速流道由喷嘴喷射至空中，水柱的有效高度及滞空长度是气爆泉设备重要的技术指标之一，40m、60m、80m等不同喷射高度的气爆有着不同的喷射口径，不同的喷射高度与口径就需要水室有与之匹配的储水量保障。水室过小、储水量不足会造成空中水柱长度不足，有些项目设计喷高40m的气爆水室储水量只能提供20m甚至不足20m的水柱，造成水柱有效高度和滞空长度严重不足，影响表演效果；水量过多或供气不足会造成不能及时将水体完全压出喷嘴，造成顶部水体下落时喷嘴仍在喷水，破坏了水体形态，无法形成气爆的奇特效果。压缩空气注入水室后体积膨胀，水体被挤向喷嘴的同时压缩空气也会向上穿透水体，会有部分水体回落至水室底部，形成水室中残留水体的现象，水室的容量设计时应同步考虑。经长期的实践研究，气爆泉水室内残留量约为水室总容积的30%左右。
s为喷嘴出口断面积，单位m²
h为水柱喷射高度，单位m
以HPQBI-60/34-Z型气爆为例，喷嘴出口直径为34mm，水室容量Q1=π*0.0172*60*1.3≈0.07m³。
因压缩空气注入水室后会向上穿透水体，故在水室结构设计时应充分考虑水室高度，应采用小管径的细长形式的方案，避免压缩空气过早穿透水体从喷嘴喷出，无法达到喷射高度，且造成水室内残留水量增加。经反复试验，水室高度在管径的10-12倍为佳。HPQBI-60/34-Z型气爆水室采用φ219不锈钢管，水室总高度为2.2米。
气爆泉工作后水室内的水被挤出，需要立即补水以备下次工作使用，补水时间的长短直接影响到气爆泉设备连续表演的能力，因此补水时间越短越好。气爆泉在水室补足水前严禁使用，否则水室内的水体在压缩空气的作用下对水室顶部会产生高强水锤冲击，工作压力为1.2MPa时冲击力可达到3500kgf以上，对气爆设备造成严重冲击，同时也会造成设备严重晃动损坏气爆设备的固定，造成设备倾斜、倒伏。
图2、水体在压缩空气作用下撞击水室顶部示意
如图2，水室未补足水前，开启电磁阀，压缩空气推动水体撞向水室顶部，强力的撞击造成设备损坏，同时推动设备向上运动，对设备固定件产生向上的强大的拉力，造成设备严重晃动，损坏设备破坏设备固定。
目前水室一般均采用自然进水的补水方式，利用水室内外压差来实现快速进水。随着水室内水位逐渐增高，压差逐渐减小，补水速度逐渐变慢，进水阀门将逐步关闭，进水通径逐渐减小，此阶段的补水速度决定了气爆泉设备总补水时间。气爆泉设备水室应采用底部进水方式，此种方式补水时间最短。
自然进水的速度是气爆泉设备一个重要的技术指标，便于项目中节目编排人员对气爆泉设备工作间隔时间的把控。80m气爆泉设备的进水时间应在15s内，60m气爆泉设备的进水时间应在12s内，40m气爆泉设备的进水时间应在8s内，时间越短越好，进水时间的长短直接决定了气爆泉设备连续性表演的能力。
2、压力计算
气爆泉在空中的喷射过程本质上是喷嘴处水体的动能向势能转换，并克服空气阻力的过程。水体在向上喷射的过程中受重力及空气阻力的影响逐渐减速，当速度降为0时达到最大喷射高度。喷嘴出口速度是决定喷射高度的最主要因素。
根据h=vt-½gt²，0=v-gt得：
V0=α√2gh;
V0*S0=βV1*S1;
V1*S1=γV2*S2;
式中：V0为喷嘴出口速度，单位m/s
α为风阻系数，由空气摩擦产生，约1.1-1.15
β为喷嘴流速系数，约为0.96
γ为变径流速系数，约为0.98
水体在水室内的流速较慢，主要通过变径、喷嘴流道获得高速的出口速度，即h2→ h1→ h0的过程,如图3。可近似认为气爆泉最高点的水体由h2处的水体经变径、喷嘴流道得到加速后喷射形成，根据伯努利方程可得：
P0+½ρV0²+ρgh0+104*φV0²/2g=P1+½ρV1²+ρgh1，
P1+½ρV1²+ρgh1+104*μV1²/2g=P2+½ρV2²+ρgh2,
即P2=½ρV0²[1-S0²/(β²γ²S2²)]+ρg(h0-h2)+104*V0²/2g*[φ+μS0²/(β²S1²)]
式中：φ为喷嘴阻力系数
μ为变径阻力系数
S0为喷嘴出口断面积，单位m²
V1为喷嘴入口速度，单位m/s
S1为喷嘴入口断面积，单位m²
V2为水室内速度，单位m/s
S2为水室断面积，单位m²
P0为喷嘴出口压力，单位Pa
P1为喷嘴入口处静压力，单位Pa
P2为水室内静压力，单位Pa
图3
3、气室的配置
气室为气爆泉设备工作提供动力源，容积的配置应考虑可保证h2处的水体流过喷嘴出口时气压不低于P2，即气室容积Q2×气室压力P3≥（气室容积+变径容积+喷头容积）×工作压力P2；同时还应考虑电磁阀关闭后气室的余压（即电磁阀关闭时水室内的气压），拥有足够的余压才能快速将水室内水体挤压喷射至空中，保证空中水柱的长度并形成响亮的爆鸣声，增加气爆泉的震撼感。应合理设计气室容量，气室容积过小在气爆泉工作时压力快速下降，动力不足，无法达到喷射高度且会造成后段水体喷射无力，影响喷射气势；气室容量过大造成不必要的冗余。
4、电磁阀的选择
电磁阀作为气爆泉设备的工作控制元件，其性能尤为重要，应选择灵敏度高、密闭性能好、一致性好的电磁阀。
经长期测试得出气爆泉电磁阀的工作时间在250-400ms范围内最为合适，电磁阀设置的工作时间过短造成电磁阀不能正常开启、关闭，气爆泉无法工作；工作时间过长会造成喷水水态有拖尾现象，且耗气量增加。经反复试验，HPQBI-60/34-Z型气爆喷高60m，最佳工作压力为1.2MPa，开启时间为300ms，耗气量仅为0.17m³/次，耗气量大幅下降，节能性能大幅提升；电磁阀每延迟关闭100ms耗气量增加10%以上，因此气爆泉设备应选用具有高速的开、闭性能的电磁阀，工作时能够快速向水室供应压缩空气，并根据工作需要及时、快速切断供给，从而满足喷射高度及尾部切断形态的要求。
气爆泉对电磁阀的密闭性能要求很高，不同于其他允许电磁阀有适当泄漏量的工况。气爆泉电磁阀的泄漏空气泄漏至水室中在水体内形成自下而上运动的连续线状气泡，如图4，当电磁阀开启后水室压力瞬间增加，水体内的气泡被压缩；当气泡随着水体喷出喷嘴后瞬间失压，气泡瞬间急剧膨胀爆裂，喷口水体形态遭到严重破坏，无法达到设计喷射高度。因此气爆泉设备应严格筛选高品质电磁阀。
图4：电磁阀密闭性不佳有少量空气进入水中形成上浮的气泡
5、加速流道形式
气爆泉设备主要通过喷头及变径流道获得较高的出口速度，合理的流道形式可降低阻力，减少能量损失，减少流速损失。流道的形式对喷高影响很大，经长期测试发现，喷头及变径采用渐缩流线型（图5）流道方式流速损失最小；同时不同的收缩度及收缩曲线亦会对喷高产生严重影响。
图5、喷嘴采用渐缩流线型流道
在气爆泉生产时应严格控制加工精度，喷嘴加速流道粗糙度不大于Ra3.2，出口段粗糙度不大于Ra1.6，否则水头损耗增加；喷嘴、变径的内侧焊缝应尽可能平整，无突出、无凹陷，否则将严重破坏水体的流动姿态。以HPQBI-60/34-Z型气爆为例，变径与喷嘴的焊接处水体流速达到5m/s，焊缝处理不规整将严重扰乱流动形态，造成出口水体有剥离发散现象，无法达到设计喷射高度和美观度的姿态。
三、气爆泉供配气系统配置及其重要性
气爆泉的运用或整体同时工作，或分组交替工作，或顺序跑动工作，多种工作方式合理配合才能呈现出一场精彩的演出。供配气系统的科学性、合理性对保障演出的效果及降低投资成本至关重要。
压缩空气作为气爆泉设备工作的动力源，压力直接决定了喷射高度及水态。压力不足将无法达到设计喷射高度，且水体上升速度变慢、缺少爆发力，直接影响气爆泉应有的震撼力；气压波动将严重影响气爆泉表演的一致性，破坏气爆泉的整体观赏性。因此保证气压恒定对气爆泉的工作至关重要。在保证气爆泉工作压力恒定的同时需要经过合理的设计系统供配气方案，在满足供气量需求的同时应尽可能降低投资成本。
供气应采取空压机即时生成与预储气相结合的方式，配气应采取高储低供的方式，即选用高于气爆泉设备工作压力的空压机生成压缩空气，存储于储气罐中，演出过程中空压机同步工作生成压缩空气。这种高储低配、储产结合的方式能够提前预产预储压缩空气，合理利用多场演出中的空闲期产生压缩空气，从而减少空压机的投资数量，且减少了系统用电负荷和设备投入，节约项目投资。高压气体通过调压恒压系统调整至气爆泉设备工作压力后供应气爆泉工作。
设备总数量为X台,工作压力（气室压力）为P3（单位为MPa）,单台单次耗气量为Q0（常压，单位为m³），设备进水时间为t0（单位为s）；每场演出时间为t1（单位为min），演出周期为t2（单位为min），每场等效整体工作次数为N，演出过程中空压机工作时间为t3（单位为min，按以往项目经验t3≥t1-5）。供配气系统图如下：
图6、供配气系统图
1、空压机及储气罐配置计算
每场耗气量为Q1=Q0*X*N
即每场供气量Q2+Q3=Q1
式中：Q1为每场演出耗气量，单位为m³，常压
Q2为可用储气量，单位为m³，常压
Q3为演出过程中空压机造气量，单位为m³，常压
可用储气量Q2=(P4-P3)*10*V*Y
式中：P4为储气罐储气压力,单位为MPa
V为储气罐容积，单位m³
Y为储气罐数量
演出过程中空压机造气量Q3=Q4*t3*Z
式中：Q4为空压机每分钟造气量，单位为m³，常压
Z为空压机数量
同时空压机数量与储气罐配比还应满足表演周期的需求，利用两场演出的空闲期，空压机能够将上次演出时储气罐中消耗的气体补充完成，即
Q4*Z*(t2-t1)=(P4-P3)*10*V*Y，计算可得：
空压机配置Q4*Z=Q0*X*N/(t2-5)
储气罐配置V*Y=(t2-t1)*Q0*X*N/10[(P4-P3)(t2-5)]
项目节目编排时应与编程人员沟通系统配置情况，合理选择气爆泉表演形式及使用频次。
2、管道断面积计算
气爆设备需进水完全后方可工作，气爆设备工作时间间隔≥t0，即供配气系统应能够满足在t0时间内为所有气爆泉设备完成供气工作。则：
Sd*Vd*t0*10*P3=Q0*X
Sg*Vg*t0*10*P4=Q0*X
即 Sd=Q0*X/(Vd*t0*10*P3)
Sg=Q0*X/(Vg*t0*10*P4)
式中： Sd为恒压调压装置后管道断面积，单位为m²
Sg为恒压调压装置前管道断面积，单位为m²
Vd为恒压调压装置后管道内空气流速，单位为m/s
Vg为恒压调压装置前管道内空气流速，单位为m/s
表1.压缩气体输送管道流速推荐值表
3、工作压力稳定措施
压缩空气作为气爆泉工作的动力源，压力的稳定性与一致性对演出效果至关重要。高储低配方案为系统储备了充足的压缩空气，同时配套调压恒压系统，该系统快速将高压力的空气调整至气爆泉工作压力，并保持压力恒定，保证喷射水态的一致性；同时气爆泉设备压缩空气输入口还应配置单向阀，避免因部分设备工作时供气主管压力波动而造成其他设备的工作压力波动，从而保证表演效果的稳定性及一致性。
4、施工注意事项
1）电磁阀作为气爆泉工作的唯一电气和机械控制元件，压缩空气中如混杂铁屑、锈渣、泥沙等杂质极易造成电磁阀卡塞，电磁阀无法正常关闭，因此需要为电磁阀供应洁净的空气。施工过程中应保护输气管道清洁，并于系统安装完成后对供气管道进行充分清洁，以保证电磁阀正常工作，保证系统可靠性。
2）难以保证供气洁净时可在气爆进气口增加过滤器对压缩空气进行过滤，提高电磁阀工作稳定性。
3）设计及施工中管道应避免下弯情况（如图7），管底积水的存在减少了管道通径，阻碍供气;无法避免时应在管弯底部安装阀门用于定期排出积水。
图7、管道下弯积水阻塞气体流动
4）供气管道应有坡度，避免管道内留有积水，发生气蚀，缩短项目使用寿命，影响系统稳定性。气爆泉作为喷泉设备的一种独特形态有着水气混合的工作特性。管道内气体流动时积水内渗入大量小气泡，在增压的同时积水内的小气泡被压缩，当气爆泉设备工作时管道内气压发生突降，积水内小气泡急剧膨胀形成爆炸，对管壁底部形成连续性冲击，造成气蚀损伤（图8）。长期反复的撞击对管道内壁造成严重损伤形成贯穿，严重缩短管道使用寿命。
图8、管道内压力突变形成气蚀
图9 气蚀造成管道内壁损伤
图10、某项目不锈钢供气管道因气蚀损伤
使用时应定期对空压机及储气罐进行排水，避免储气量下降。
四、总结
本文对气爆泉的设计及系统应用作出了理论设计，并结合实验测试及工程实际应用经验，严把设计、制造、施工质量关，呈现气爆泉气势磅礴的观赏效果。
参考文献：
【1】HG/T 20570.6-1995(2009)《管径选择》
【2】HG/T 13279-2015《一般用固定的往复活塞空气压缩机》
【3】HG/T 4213-2008《气动调节阀》