排氣閥在輸水管道工程中選型設(shè)計(jì)探討

1、排氣閥在輸水管道工程中選型設(shè)計(jì)探討、關(guān)于排氣閥及其特性排氣閥在輸水管道系統(tǒng)中，用作管道充水時(shí)排氣、排水時(shí)向管內(nèi)補(bǔ)氣和正常運(yùn)行時(shí)排出管道內(nèi)微量 氣體。其除具冇容性和慣性元件的一般特性外，過(guò)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(nèi)水流特性是至關(guān)重要的。1.1過(guò)閥氣流的壓力特性亞蘆速i排氣閥的排氣和補(bǔ)氣過(guò)程可視為等爛流動(dòng)，11氣流流入和流出也有區(qū)別。對(duì)于空氣這種特定氣體， 英滯止壓力p。和臨界壓力per都冇固定值，h對(duì)于一定馬赫數(shù)的氣流，英壓力區(qū)間也是確定的，即冇pc/poo 對(duì)于已建成的輸水管道，管道外部大氣壓力pa也是已知的，h當(dāng)流入排氣閥時(shí)冇p0=pa,則過(guò)閥氣流的壓 丿j 口

2、j表示為：排氣過(guò)程：亞聲翅臨界聲速(補(bǔ)氣過(guò)程：臨界聲速.(1.2排氣閥的流量特性過(guò)閥的空氣流滿足等爛流動(dòng)條件，空氣的絕熱指數(shù)k=1.4,再引入pp/pa,則通過(guò)排氣閥氣流的質(zhì)量 流量qm為：排氣加:知=-c4屯p $鼠壬戸了 坐聲速如=-cwf-4p (京界宙連 i補(bǔ) :伽=-gum跟-軸f (p) - f?蚩聲遐- gaam- 4臨界月述式中：pa,入為大氣密度和絕對(duì)溫度；r, t, p為空氣的氣體常數(shù)，絕對(duì)溫度和壓力；c, a為閥的 流量系數(shù)和開(kāi)啟面積。下標(biāo)m和nt分別代表氣流流入和流出排氣閥。1.3排氣閥上下游管道內(nèi)水流特性山于排氣閥的工作和空穴內(nèi)空氣參數(shù)變化，使氣閥附近管內(nèi)水流具有瞬變

3、特性。因?yàn)樗沧兞鲗?shí)質(zhì)是 非定常流動(dòng)，所以用非定常流方程組卩刃來(lái)描述氣閥附近管內(nèi)的水流特性。它的差分形式方程組i呵為：畔乩氣e肅 © +閔ff/r - si* - qr* -盤找* qr*卄七，（）式中：為lj+1時(shí)刻i斷而處的壓頭和流量；h+bqj+pi為t=j時(shí)刻斷面處的壓頭和流量；hv +qji-hji+qj汁為t=j時(shí)刻1+1斷血處的壓頭和流量；d, a為管道直徑和截面積；a, g為波速和重力加速度; 山為距離步長(zhǎng)；入為沿程阻力系數(shù)。研究氣閥附近管內(nèi)水流特性時(shí)，1為氣閥安裝斷血，貝u 11為上游管斷面，1+1為下游管斷面。2有壓輸水管道內(nèi)的氣體形成、運(yùn)動(dòng)和對(duì)系統(tǒng)的危害2有壓輸水

4、管道內(nèi)的氣體形成和運(yùn)動(dòng)進(jìn)入管道的氣體雖然同輸送液體處于相同的壓強(qiáng)之下。但山于氣、液重度差和液體表面張力的作用, 氣體-般會(huì)出現(xiàn)在管道內(nèi)的制高點(diǎn)，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(duì)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(nèi)所處的位置，取決于其力的平衡條件。當(dāng)氣包重度差的管軸向分力同水流方 向一致時(shí)，氣包隨水流方向前進(jìn)；反之，氣包則受摩擦力作用而滯留于管壁甚至逆向流動(dòng)。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(shè)置不當(dāng)対系統(tǒng)的危害有壓輸水管道在充水

5、或排水時(shí)，要排出或吸入相同體積的氣體；正常輸水過(guò)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(dāng)缺乏必要的排氣設(shè)施、排氣閥選空不合理、排氣閥布置不 當(dāng)或排氣閥不能正常工作時(shí)，氣體就會(huì)集聚在管道系統(tǒng)中。這些氣體在管道水流發(fā)牛非正常調(diào)節(jié)工況時(shí)， 如輸水系統(tǒng)發(fā)牛事故停泵、輸水管道系統(tǒng)切換、控制調(diào)節(jié)閥誤操作等，輕則會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，重則會(huì) 使管道輸水系統(tǒng)遭到破壞。有壓管道內(nèi)積存氣體對(duì)系統(tǒng)的危害是多方面的。首先會(huì)影響管道安全運(yùn)行，氣包實(shí)際上是處于運(yùn)動(dòng) 和壓力振蕩z中的，其運(yùn)動(dòng)和壓力振蕩反過(guò)來(lái)又引起水流速度的變化，從而引發(fā)氣爆型水錘。供水管網(wǎng)中 發(fā)牛爆管事故，排氣不暢是主要原因。英次，在

6、小直徑輸水管道中，山于附著于管壁的氣泡或氣囊縮減了 管道過(guò)水?dāng)嗝嫔踔磷钄嗨?，減小輸水流量，影響需水戶正常生產(chǎn)和牛 活用水，同時(shí)還會(huì)增加運(yùn)行成本。3排氣閥選型和布置3排氣閥選型存在的問(wèn)題如前所述，在有壓輸水管道系統(tǒng)中，排氣閥是必不可少的重要組成部分。而我國(guó)在有壓管道輸水工 程設(shè)計(jì)中，對(duì)進(jìn)排氣問(wèn)題的研究和重視程度還很不夠，缺乏這方血的規(guī)范、計(jì)算手段和工具。以往我國(guó)的 輸水管道工程規(guī)模小，管徑小，缺乏大直徑管道工程的研究和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。排氣閥的設(shè)置大多按經(jīng)驗(yàn)選取， 早期的設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定可以不經(jīng)計(jì)算直接查表選取，這些方法已經(jīng)很難適 應(yīng)當(dāng)今的大直徑輸水管道工程設(shè)計(jì)需要。存在的問(wèn)題主要在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)兩方面：（1

7、）設(shè)計(jì)缺乏規(guī)范，如 排氣量計(jì)算和排氣閥基本類型、要求的規(guī)范和排氣閥的選用原則、方法；（2）排氣閥生產(chǎn)不規(guī)范，生產(chǎn) 企業(yè)缺乏大口徑排氣閥在不同壓差下的排進(jìn)氣量試驗(yàn)資料。正常情況卜排氣閥應(yīng)根據(jù)排（補(bǔ)）氣量需求通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)選取。由于各金業(yè)的產(chǎn)品型式不盡相同， 相同口徑的排氣閥，其空氣流量相差兒倍其至十兒倍。所以，按照管道直徑的1/81/12比例選取排氣閥 的方法很不科學(xué)的。有的工程設(shè)計(jì)人員只考慮在管道凸起點(diǎn)設(shè)置排氣閥，忽視了長(zhǎng)水平段管道，同樣會(huì)導(dǎo) 致排補(bǔ)氣不足。3.2排氣閥選型布置需?？紤]的三種工況排氣閥是保證壓力管道輸水系統(tǒng)輸水安全的極為重要的關(guān)鍵設(shè)備按照系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，排氣 閥的作用可以就三種

8、情況來(lái)進(jìn)行分析：在輸水管道充水過(guò)程和停止運(yùn)行時(shí)的排水過(guò)程中，排氣閥的作用是 及時(shí)排除管內(nèi)空氣，以免產(chǎn)生氣阻或隨時(shí)補(bǔ)充空氣，避免產(chǎn)牛負(fù)壓。在此階段，空氣的進(jìn)入和排出是快速 和大量的。在管道正常運(yùn)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(jìn)行的，排氣量較小且不連續(xù)，故稱之為正常運(yùn)行過(guò)程中排出微量氣體。在發(fā)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(fù)壓卞快速補(bǔ)氣；當(dāng)發(fā)牛 斷電停泵、出現(xiàn)水柱拉斷彌合水錘時(shí)，排氣閥的作用就更為重要。3.3根據(jù)工程需求合理選型冃前，歐美國(guó)家研發(fā)的排氣閥品種較多，排氣閥口徑也發(fā)展到400mm,可以滿足不同形式的管道工 程

9、礙求。我國(guó)已建和在建的大直徑長(zhǎng)距離輸水管道工程中大都選用了進(jìn)口排氣閥，如南水北調(diào)京石段選用 了美國(guó)ga公司排氣閥，山四省萬(wàn)家寨引黃工程、遼寧大伙房二期供水工程選用了以色列a1ri公司的排氣 閥。為了完善和發(fā)展我國(guó)的排氣閥類產(chǎn)品牛產(chǎn)，首先應(yīng)當(dāng)制定和統(tǒng)-技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從排氣閥的基本類型、壓 力等級(jí)、口徑、材質(zhì)、安全系數(shù)、產(chǎn)品試驗(yàn)、檢驗(yàn)和售后服務(wù)等方血進(jìn)行規(guī)范，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)和給水工程協(xié)會(huì)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），対排氣閥產(chǎn)品的規(guī)范產(chǎn)牛了積極的影響。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)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

10、閥）和低壓高速排（進(jìn)）氣閥（大孔口閥）兩類，在此基礎(chǔ)上定義了 三種基本閥型，從而理清了有關(guān)排氣閥選用的基本的概念。上述定義是針対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(guò)螺栓孔附著在較大體積的低壓閥上。后來(lái)，以色列airi公司發(fā)明了卷簾式 高壓排氣閥，使排氣量擴(kuò)大了約十倍，但形式上依然采用附著式。最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(gè)浮體設(shè)在同一個(gè)閥腔內(nèi)，從結(jié)構(gòu)上將高、低壓排進(jìn)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(shè)計(jì)人員選擇。排氣閥乂分為普通型和緩閉型兩類。前者低壓進(jìn)排氣部分全部敞開(kāi)，排氣時(shí)不受限制；后者通過(guò)彈 簧或浮碟片等緩閉（anti-slam）裝置，能在一定壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空氣的排岀量，這一點(diǎn)對(duì)于抑制停泵水錘 非常重要。4結(jié)語(yǔ)對(duì)于大直徑長(zhǎng)距離