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輸水管道排氣閥設計選型 |
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| 詳細介紹 | ||||||||||||||||
一、輸水管道排氣閥設計選型關于排氣閥及其特性 排氣閥在輸水管道系統中，用作管道充水時排氣、排水時向管內補氣和正常運行時排出管道內微量氣體。其除具有容性和慣性元件的一般特性外，過閥氣流的壓力特性和排氣閥的流量特性及排氣閥上下游管道內水流特性是至關重要的。在長距離,大直徑輸水管道工程中,排氣閥的合理設置對工程安全起著至關重要的作用.所以,工程設計人員對排氣閥的選擇和布置也日漸重視.本文通過對有壓輸水管道系統中排氣閥特性,管內氣體的運動和對系統的危害進行研究,提出了排氣閥選型設計的方法和應注意的問題,可供工程技術人員在供水管道工程設計中借鑒.
1.1輸水管道排氣閥設計選型 過閥氣流的壓力特性 排氣閥的排氣和補氣過程可視為等熵流動，且氣流流入和流出也有區別。對于空氣這種特定氣體，其滯止壓力Po和臨界壓力Pcr都有固定值，且對于一定馬赫數的氣流，其壓力區間也是確定的，即有Pcr/P0。對于已建成的輸水管道，管道外部大氣壓力Pa也是已知的，且當流入排氣閥時有Po=Pa，則過閥氣流的壓力可表示為：
1.2 輸水管道排氣閥設計選型排氣閥的流量特性 過閥的空氣流滿足等熵流動條件，當管內開始注水時，塞頭停留在開啟位置，進行大量排氣，當空氣排完時，閥內積水浮球被浮起，傳動塞頭至關閉位置，停止大量排氣；當管內水正常輸送時，如有少量空氣聚集在閥內到相當程度，閥內水位下降，浮球隨之下降，此時空氣則由小孔排出。當抽水機停止，管內水流空時，或遇管內產生負壓時，此時塞頭開啟，吸入空氣確保管線安全。 由于排氣閥的工作和空穴內空氣參數變化，使氣閥附近管內水流具有瞬變特性。因為瞬變流實質是非定常流動，所以用非定常流方程組來描述氣閥附近管內的水流特性。它的差分形式方程為：
2 輸水管道排氣閥設計選型有壓輸水管道內的氣體形成、運動和對系統的危害 2.1 有壓輸水管道內的氣體形成和運動 進入管道的氣體雖然同輸送液體處于相同的壓強之下。但由于氣、液重度差和液體表面張力的作用，氣體一般會出現在管道內的制高點，這些微小氣泡聚集在一起逐漸形成大氣泡甚至氣包。這些氣包在重力和水流沖力的共同作用下，它們或分散存在于較平緩下坡（對水流而言）段管道頂部，或存在于起伏管線的管道凸起處。氣包在管道內所處的位置，取決于其力的平衡條件。當氣包重度差的管軸向分力同水流方向一致時，氣包隨水流方向前進；反之，氣包則受摩擦力作用而滯留于管壁甚至逆向流動。因此上坡管道的氣體較易于排出，下坡管道的氣體則不易隨水流排走。
2.2 有壓輸水管道排氣閥設置不當對系統的危害 有壓輸水管道在充水或排水時，要排出或吸入相同體積的氣體；正常輸水過程中需要排出帶入管道的微量氣體或因壓力和溫度變化析出的氣體。當缺乏必要的排氣設施、排氣閥選型不合理、排氣閥布置不當或排氣閥不能正常工作時，氣體就會集聚在管道系統中。這些氣體在管道水流發生非正常調節工況時，如輸水系統發生事故停泵、輸水管道系統切換、控制調節閥誤操作等，輕則會影響系統正常運行，重則會使管道輸水系統遭到破壞。 有壓管道內積存氣體對系統的危害是多方面的。首先會影響管道安全運行，氣包實際上是處于運動和壓力振蕩之中的，其運動和壓力振蕩反過來又引起水流速度的變化，從而引發氣爆型水錘。供水管網中發生爆管事故，排氣不暢是主要原因。其次，在小直徑輸水管道中，由于附著于管壁的氣泡或氣囊縮減了管道過水斷面甚至阻斷水流，減小輸水流量，影響需水戶正常生產和生活用水，同時還會增加運行成本。
3 輸水管道排氣閥設計選型選型和布置 3.1 排氣閥選型存在的問題 如前所述，在有壓輸水管道系統中，排氣閥是*的重要組成部分。而我國在有壓管道輸水工程設計中，對進排氣問題的研究和重視程度還很不夠，缺乏這方面的規范、計算手段和工具。以往我國的輸水管道工程規模小，管徑小，缺乏大直徑管道工程的研究和設計經驗。排氣閥的設置大多按經驗選取，早期的設計手冊規定可以不經計算直接查表選取，這些方法已經很難適應當今的大直徑輸水管道工程設計需要。存在的問題主要在設計和生產兩方面： （1）設計缺乏規范，如排氣量計算和排氣閥基本類型、要求的規范和排氣閥的選用原則、方法；（2）排氣閥生產不規范，生產企業缺乏大口徑排氣閥在不同壓差下的排進氣量試驗資料。 正常情況下排氣閥應根據排（補）氣量需求通過計算或試驗選取。由于各企業的產品型式不盡相同，相同口徑的排氣閥，其空氣流量相差幾倍甚至十幾倍。所以，按照管道直徑的1/8～1/12比例選取排氣閥的方法很不科學的。有的工程設計人員只考慮在管道凸起點設置排氣閥，忽視了長水平段管道，同樣會導致排補氣不足。
3.2輸水管道排氣閥設計選型選型布置需要考慮的三種工況 排氣閥是保證壓力管道輸水系統輸水安全的極為重要的關鍵設備之一。按照系統的運行狀態，排氣閥的作用可以就三種情況來進行分析：在輸水管道充水過程和停止運行時的排水過程中，排氣閥的作用是及時排除管內空氣，以免產生氣阻或隨時補充空氣，避免產生負壓。在此階段，空氣的進入和排出是快速和大量的。 在管道正常運行中，排氣閥的作用是排除液體中逸出的氣（汽）體。在此階段的排氣是在有壓情況下進行的，排氣量較小且不連續，故稱之為正常運行過程中排出微量氣體。 在發生水力瞬變情況下，排氣閥雖然不可能緩和水錘正壓值，但卻能夠在負壓下快速補氣；當發生斷電停泵、出現水柱拉斷彌合水錘時，排氣閥的作用就更為重要。
3.3 輸水管道排氣閥設計選型根據工程需求合理選型 目前，歐美國家研發的排氣閥品種較多，排氣閥口徑也發展到400mm，可以滿足不同形式的管道工程需求。我國已建和在建的大直徑長距離輸水管道工程中大都選用了進口排氣閥，如南水北調京石段選用了美國GA公司排氣閥，山西*家寨引黃工程、遼寧大伙房二期供水工程選用了以色列AIRI公司的排氣閥。為了完善和發展我國的排氣閥類產品生產，首先應當制定和統一技術標準，從排氣閥的基本類型、壓力等級、口徑、材質、安全系數、產品試驗、檢驗和售后服務等方面進行規范，實現標準化、系列化。 美國國家標準協會和給水工程協會于1996年制訂了《供水用排氣閥、空氣/真空閥和組合式排氣閥》（ANSI/AWWAC512），對排氣閥產品的規范產生了積極的影響。該標準根據工作條件和閥的功能，把排氣閥劃分為高壓微量排氣閥（小孔口閥）和低壓高速排（進）氣閥（大孔口閥）兩類，在此基礎上定義了三種基本閥型，從而理清了有關排氣閥選用的基本的概念。上述定義是針對起初的浮球式排氣閥的，該組合式閥系將小口徑高壓閥通過螺栓孔附著在較大體積的低壓閥上。后來，以色列AIRI公司發明了卷簾式高壓排氣閥，使排氣量擴大了約十倍，但形式上依然采用附著式。近新推出的雙浮體式排氣閥，其控制高低壓排氣的大小兩個浮體設在同一個閥腔內，從結構上將高、低壓排進氣功能融合到了一起，從而顛覆了“三種閥型”的概念，更方便于設計人員選擇。排氣閥又分為普通型和緩閉型兩類。前者低壓進排氣部分全部敞開，排氣時不受限制；后者通過彈簧或浮碟片等緩閉（Anti-Slam）裝置，能在一定壓力范圍內調節空氣的排出量，這一點對于抑制停泵水錘非常重要。
對于大直徑長距離輸水管道工程，不僅要通過排補氣量分析計算合理選擇不同功能的排氣閥，還應通過水力過渡過程分析計算或模型試驗來驗證其設計并及時進行調整，以確保系統中排氣閥設計布置合理。在輸水管道工程設計中應合理選擇和布置排氣閥，使其真正達到充水排氣、排水補氣和正常運行過程排出微量氣體的功能、以確保輸水管道不會因排氣閥設置不當遭受破壞。 |
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