气压法送水上高原技术

在许多调水工程中，有一个技术难题就是如何用最小的代价把地处的丰富的淡水送到高出。当然，如果说这是一个技术问题，不如说它是一个经济问题。在南水北调工程中，为什么中线一年调水量超过50亿立方，而东线工程一年大约只能调水10亿立方。根本的原因还是水费问题。两条线调来的水是一样的，但是成本是不一样的。原因是东线的水提升水头60多米，成本比中线的水大，不同的水却是相同的售价，自然东线不够经济，调水量就小了。如何从技术上进一步降低成本对于大量的调水是很必要的。例如，霍有光提出的海水西调工程，需要把水从海平面提升到1400米高程，从理论上计算用抽水机需要四度电。再例如把雅鲁藏布江的水提升到青藏高原，需要更多的电力。除过利用电力以外，我们希望能利用自然力。

我们认为把水送上海拔高，坡度大的高原的节省成本的办法是使用高压压水。既不能借助于重力，也无法使用离心力。高压压力送水是最为节省资金的办法。

我们知道，一个标准大气压，即1ATM可以把水压高10.34米，那么要把海水从300米压到1300米，需要97ATM，就是9.8兆帕。很显然，压力太大，一次不可能到位，如果每次获得5——10个ATM，那么一次压高50米——100米，是完全可以办到的，而且水管侧壁可以承受这种应力。所以，必须分10次或者20次才能够把水压上高原。

那么如何获得如此大的压力呢？我们知道，在标准条件下（0℃，1atm），空气密度为1.29Kg/m3，但是一立方的水是1000公斤，水的密度是空气密度的775倍。由于空气质量轻，资源无处不在，根据克拉伯龙方程PV=nRT 。在一个固定的密闭容器中，容积V是定值，温度T是定值，P=nRT/V，所以压强P和空气的摩尔数成正比例，RT/V是一个常数可以设为f，，则P=fn，由于空气的质量M等于摩尔质量m乘以摩尔数n，M=mn，空气的摩尔质量m是一个常量，也就是压强P和空气的质量成正比P=fM/m=FM。所以要增加压强只要向这个密闭容器中注入空气就可以。这个注入空气加压的方法广泛地使用在汽车行业，使用在轮胎上面。一般的橡胶轮胎可以承受3—4ATM压力。那么气压能不能使用在调水上？我们在一个半径10米，高度5米的密闭大水罐中，先加满水，然后使用气泵往水管中加气，只需要少量的气体就可以获得很高的压强，由于在加气的过程中基本符合克拉伯龙方程，而空气的质量等于空气密度乘以体积，所以有PV=nRT=PM/ƞ，M=mn，代入公式有：P=ƞRT/m，由于RT/m是常数，所以，压力P和空气密度ƞ成正比，这就是压力能够提升水头的全部秘密。

设计思路是这样的：水罐的出水口设在水罐底部，这样空气比水轻，加入水罐的空气聚集在罐的顶部，产生压力把水从底部压进输水管到达高处。一般气泵可以产生4——8ATM压力，而专业气泵可以产生覆盖0.6Mpa-160Mpa压力区域，所以，气泵可以产生我们需要的压力。通过气泵不断填充水罐空间，产生压力，把水压到高处。而且气泵输送的气体的密度是水的密度的775分之一，所以使用气泵获得压力提升水头远远比直接抽水节省电力。而且对于一个半径10米，高度5米的大水罐，一次性可以提升1570立方水，提升高度可以到达50米—100米。所以，这种使用密闭大水罐和水管联通空气加压法是向高原输水的最理想技术。由于我们需要大容量低压气泵，所以可以专门定制这种调水专用水泵。

这种技术的具体设计是这样：首先在山脚科尔沁的海拔300米的某处修建两座直径20米，高度5米的钢罐，类似于液化气罐，钢罐全部密闭，只预留几个口，每一个口上都安装电磁阀。在罐顶部安装一个抽水机的入口，在钢罐的侧面上安装几个气泵入口，在罐底部安装水的出水口，出水口和输水钢管连接，全程密闭。在输水沿途放置类似的大水罐，输入的水从入水口进入，沿途的入水口可以放在出水口一样的底部，安装电磁阀。由于空气密度小，泵入的空气全部会聚集到水罐的顶部，只产生压力，不会逃逸。

当运行的时候，从低处的水罐1向高处的水罐2送水。使用抽水机向水罐1抽水，抽水的时候，水罐1的气泵阀关闭，水罐抽满以后关闭抽水机进水口（使用电磁阀关闭），打开气泵入口的电磁阀和出水口的电磁阀，同时打开水罐2的进水口，这时候向水罐1加气，水被源源不断送入水罐2。水输送完毕，关闭水罐1出水口的电磁阀，关闭水罐2的进水口的电磁阀。打开更高处水罐的进水口加气送水。以此类推。

但是这种输水有一个问题，当水罐1向水罐2输水完毕以后，水管中还有大量的水，如果减压放气，那么这些水就会回流到水罐，造成浪费。如何避免水管中的水回流呢？可以在水管的接近水罐的地方安装一个阀门，或者安装一个防止水倒流的铁片，铁片只能单向开闭，在水的压力下，铁片封闭，阻止水倒流。由于水管的直径达到了2米，所以这个防止水倒流的铁片很重要。水罐1向水罐2送水完毕以后，水罐1继续加水，那么从水罐1向水罐2之间输水管这时候比较闲置，能不能利用这条输水管的闲暇时间继续输水呢？这需要在同一个地方修建两座一样的水罐4，当水罐1输水工作完毕的时候水罐4开始向水罐5开始输水。这样一次可以多输送一倍的水量。

当一个水罐的气压把水压上高处以后，水罐内的气压很大，但是通常情况下把这些气体排出水罐，这样才能重新装水。但是，气压作为一种能源被排入空气就是一种浪费，能不能再次使用气压呢？由于空气具有轻质、易流动性。所以在一组水罐之间联通一个通气钢管，钢管上安装一个电磁阀，当水罐1的水压上高处，出水口关闭以后，这时候比邻水罐4中加满了水，打开水罐1到水罐4之间的电磁阀，让水罐1中的高压空气进入水罐4中，这时候水罐1中有大约一半空气会进入水罐4，两边均分空气，两边的气压也由5ATM变为2.5ATM，如果这时候使用气泵把水罐1中的压力为2.5ATM的气体压向水罐4，让水罐4的压力变为3ATM。这时候把水罐1的进水口打开，让水罐1接触空气，压力重新变为1ATM，这样等于说把水罐1的一定的压力能转移到了水罐4，进一步节省了能源。这叫做“气压不浪费”的节能原理。

通过水罐加压输水，通过水罐联通输气压，可以把从科尔沁到内蒙古高原的调水成本减小到一元以下，而且一次能够调大量的水。非常理想。如果一次压1570立方水，每天工作24次，那么每天可以输送3.7万立方水上高原，一年可以调0.1亿立方。如果水罐加大口径和容积则可以输送更多的水，基本可以满足需要。使用大水罐气压法输水以后，输水量增加，所以客观上要求使用大口径输水管，可以采用直径4米的钢管。由于使用气压法输水的时候，水罐和水管的各处都要受到相等的极大的压力，所以对于水管的材质要求很高。