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排气阀在输水管道工程中选型设计探讨

   一、关于排气阀及其特性

    排气阀在输水管道系统中,用作管道充水时排气、排水时向管内补气和正常运行时排出管道内微量气体。其除具有容性和惯性元件的一般特性外,过阀气流的压力特性和排气阀的流量特性及排气阀上下游管道内水流特性是至关重要的。

   1.1 过阀气流的压力特性

    排气阀的排气和补气过程可视为等熵流动,且气流流入和流出也有区别。对于空气这种特定气体,其滞止压力Po和临界压力Pcr都有固定值,且对于一定马赫数的气流,其压力区间也是确定的,即有Pcr/P0。对于已建成的输水管道,管道外部大气压力Pa也是已知的,且当流入排气阀时有Po=Pa,则过阀气流的压力可表示为:

    1.2 排气阀的流量特性

    过阀的空气流满足等熵流动条件,空气的绝热指数k=1.4,再引入p′=p/pa,则通过排气阀气流的质量流量qm为:

   

    式中:ρa,Ta为大气密度和绝对温度;R,T,P为空气的气体常数,绝对温度和压力;C,A为阀的流量系数和开启面积。

    下标m和nt分别代表气流流入和流出排气阀。

    1.3 排气阀上下游管道内水流特性

    由于排气阀的工作和空穴内空气参数变化,使气阀附近管内水流具有瞬变特性。因为瞬变流实质是非定常流动,所以用非定常流方程组[39]来描述气阀附近管内的水流特性。它的差分形式方程组[36]为:

       式中:为t=J+1时刻I断面处的压头和流量;HJi-+BQJ+pi为t=J时刻I-1断面处的压头和流量;HJi-+QJi-HJi++QJi+为t=J时刻I+1断面处的压头和流量;D,A为管道直径和截面积;a,g为波速和重力加速度;Δx为距离步长;λ为沿程阻力系数。

    研究气阀附近管内水流特性时,I为气阀安装断面,则I-1为上游管断面,I+1为下游管断面。

    2 有压输水管道内的气体形成、运动和对系统的危害

   2.1 有压输水管道内的气体形成和运动

    进入管道的气体虽然同输送液体处于相同的压强之下。但由于气、液重度差和液体表面张力的作用,气体一般会出现在管道内的制高点,这些微小气泡聚集在一起逐渐形成大气泡甚至气包。这些气包在重力和水流冲力的共同作用下,它们或分散存在于较平缓下坡(对水流而言)段管道顶部,或存在于起伏管线的管道凸起处。气包在管道内所处的位置,取决于其力的平衡条件。当气包重度差的管轴向分力同水流方向一致时,气包随水流方向前进;反之,气包则受摩擦力作用而滞留于管壁甚至逆向流动。因此上坡管道的气体较易于排出,下坡管道的气体则不易随水流排走。

    2.2 有压输水管道排气阀设置不当对系统的危害

    有压输水管道在充水或排水时,要排出或吸入相同体积的气体;正常输水过程中需要排出带入管道的微量气体或因压力和温度变化析出的气体。当缺乏必要的排气设施、排气阀选型不合理、排气阀布置不当或排气阀不能正常工作时,气体就会集聚在管道系统中。这些气体在管道水流发生非正常调节工况时,如输水系统发生事故停泵、输水管道系统切换、控制调节阀误操作等,轻则会影响系统正常运行,重则会使管道输水系统遭到破坏。

    有压管道内积存气体对系统的危害是多方面的。首先会影响管道安全运行,气包实际上是处于运动和压力振荡之中的,其运动和压力振荡反过来又引起水流速度的变化,从而引发气爆型水锤。供水管网中发生爆管事故,排气不畅是主要原因。其次,在小直径输水管道中,由于附着于管壁的气泡或气囊缩减了管道过水断面甚至阻断水流,减小输水流量,影响需水户正常生产和生
活用水,同时还会增加运行成本。

   3 排气阀选型和布置

   3.1 排气阀选型存在的问题

    如前所述,在有压输水管道系统中,排气阀是必不可少的重要组成部分。而我国在有压管道输水工程设计中,对进排气问题的研究和重视程度还很不够,缺乏这方面的规范、计算手段和工具。以往我国的输水管道工程规模小,管径小,缺乏大直径管道工程的研究和设计经验。排气阀的设置大多按经验选取,早期的设计手册规定可以不经计算直接查表选取,这些方法已经很难适
应当今的大直径输水管道工程设计需要。存在的问题主要在设计和生产两方面:(1)设计缺乏规范,如排气量计算和排气阀基本类型、要求的规范和排气阀的选用原则、方法;(2)排气阀生产不规范,生产企业缺乏大口径排气阀在不同压差下的排进气量试验资料。

    正常情况下排气阀应根据排(补)气量需求通过计算或试验选取。由于各企业的产品型式不尽相同,相同口径的排气阀,其空气流量相差几倍甚至十几倍。所以,按照管道直径的1/8~1/12比例选取排气阀的方法很不科学的。有的工程设计人员只考虑在管道凸起点设置排气阀,忽视了长水平段管道,同样会导致排补气不足。

    3.2 排气阀选型布置需要考虑的三种工况

    排气阀是保证压力管道输水系统输水安全的极为重要的关键设备之一。按照系统的运行状态,排气阀的作用可以就三种情况来进行分析:在输水管道充水过程和停止运行时的排水过程中,排气阀的作用是及时排除管内空气,以免产生气阻或随时补充空气,避免产生负压。在此阶段,空气的进入和排出是快速和大量的。

    在管道正常运行中,排气阀的作用是排除液体中逸出的气(汽)体。在此阶段的排气是在有压情况下进行的,排气量较小且不连续,故称之为正常运行过程中排出微量气体。

    在发生水力瞬变情况下,排气阀虽然不可能缓和水锤正压值,但却能够在负压下快速补气;当发生断电停泵、出现水柱拉断弥合水锤时,排气阀的作用就更为重要。

   3.3 根据工程需求合理选型

    目前,欧美国家研发的排气阀品种较多,排气阀口径也发展到400mm,可以满足不同形式的管道工程需求。我国已建和在建的大直径长距离输水管道工程中大都选用了进口排气阀,如南水北调京石段选用了美国GA公司排气阀,山西省万家寨引黄工程、辽宁大伙房二期供水工程选用了以色列AIRI公司的排气阀。为了完善和发展我国的排气阀类产品生产,首先应当制定和统一技术标准,从排气阀的基本类型、压力等级、口径、材质、安全系数、产品试验、检验和售后服务等方面进行规范,实现标准化、系列化。

    美国国家标准协会和给水工程协会于1996年制订了《供水用排气阀、空气/真空阀和组合式排气阀》(ANSI/AWWAC512),对排气阀产品的规范产生了积极的影响。该标准根据工作条件和阀的功能,把排气阀划分为高压微量排气阀(小孔口阀)和低压高速排(进)气阀(大孔口阀)两类,在此基础上定义了三种基本阀型,从而理清了有关排气阀选用的基本的概念。上述定义是针对起初的浮球式排气阀的,该组合式阀系将小口径高压阀通过螺栓孔附着在较大体积的低压阀上。后来,以色列AIRI公司发明了卷帘式高压排气阀,使排气量扩大了约十倍,但形式上依然采用附着式。最近新推出的双浮体式排气阀,其控制高低压排气的大小两个浮体设在同一个阀腔内,从结构上将高、低压排进气功能融合到了一起,从而颠覆了“三种阀型”的概念,更方便于设计人员选择。

    排气阀又分为普通型和缓闭型两类。前者低压进排气部分全部敞开,排气时不受限制;后者通过弹簧或浮碟片等缓闭(Anti-Slam)装置,能在一定压力范围内调节空气的排出量,这一点对于抑制停泵水锤非常重要。

   4 结语

对于大直径长距离输水管道工程,不仅要通过排补气量分析计算合理选择不同功能的排气阀,还应通过水力过渡过程分析计算或模型试验来验证其设计并及时进行调整,以确保系统中排气阀设计布置合理。

    在输水管道工程设计中应合理选择和布置排气阀,使其真正达到充水排气、排水补气和正常运行过程排出微量气体的功能、以确保输水管道不会因排气阀设置不当遭受破坏。