辛安泉供水工程排氣閥設(shè)置探討

李 亮

(山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 長(zhǎng)治 046000)

隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源是保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的一大支柱，而供水工程在當(dāng)今社會(huì)占有不可或缺的一席之地。由于我國(guó)大部分地區(qū)水資源在時(shí)空上分布不均，導(dǎo)致許多供水工程需要鋪設(shè)長(zhǎng)距離的管道來滿足供水需求。采用管道供水具有沿程水資源損耗小、水質(zhì)變化小、工期短、對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞小且投資少等優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)距離管道中排氣閥的設(shè)置是管線設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)問題，如果管道排氣不暢，會(huì)影響供水對(duì)象及運(yùn)行單位的正常運(yùn)行，并極易造成爆管，對(duì)供水對(duì)象及運(yùn)行單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。排氣閥設(shè)置的合理與否直接關(guān)系到管線是否能夠安全運(yùn)行，供水質(zhì)量是否能得到保證。因此，通過對(duì)排氣閥位置分布及口徑選取進(jìn)行分析可以評(píng)估供水工程運(yùn)行的安全可靠性。在理論研究的基礎(chǔ)上，本文以山西省辛安泉供水工程黎城支線為例，介紹工程實(shí)際應(yīng)用中空氣閥設(shè)置與理論計(jì)算設(shè)置的偏差，判斷空氣閥設(shè)置的合理程度。

1 管線中氣體動(dòng)態(tài)特性分析

1.1 管路中氣體特性

長(zhǎng)距離供水工程管路系統(tǒng)中所攜帶的氣體主要來自：?事故搶修放空；?流量調(diào)節(jié)過快；?進(jìn)水口淹沒深度不夠?qū)е挛鼩猓?水體中的溶解氣體釋放[1]；?管道未充滿前管路中的氣體。供水管路由于供水工況不同，水流流態(tài)復(fù)雜，在管道充水及排水時(shí)尤為明顯。水流流態(tài)大致分為泡狀流、團(tuán)狀流、環(huán)狀流、段塞流、氣泡流、層狀流、波狀流等。并且，各種流態(tài)之間會(huì)根據(jù)不同的因素相互轉(zhuǎn)換，其中包括氣液兩相的速度、溫度、黏滯性及水流充滿速度等因素。在供水管路不同的工況下，水流中的氣體大致呈現(xiàn)為自由氣泡、小氣囊及滯留大氣團(tuán)。一般情況下，管道內(nèi)氣體存在于以下幾處：?在管徑變化及管道交叉處，當(dāng)水流速度較小時(shí)，氣體會(huì)在接口處匯集成氣囊；?管道坡頂位置，氣體上行在頂端聚集；?倒坡管道處，當(dāng)水流推力大于氣泡浮力時(shí)，氣體聚集在管壁上，并逐漸形成氣囊。

因此，管道在充水過程中并不是理想狀態(tài)下的水體代替氣體的位置，將氣體全部排出管道外，而是會(huì)存在很多不連續(xù)的氣囊附著于管壁上，并且有時(shí)會(huì)隨著水流在管道中移動(dòng)。而這些具有彈性的氣囊會(huì)對(duì)供水安全造成很大的影響。

1.2 排氣閥設(shè)置的必要性

排氣閥具有負(fù)壓防護(hù)及運(yùn)行排氣等積極作用，在進(jìn)行排氣閥的設(shè)置與設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮安設(shè)位置、口徑尺寸、間距等因素，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)來看，排氣閥一般布設(shè)在供水管線隆起點(diǎn)和長(zhǎng)直管道位置；對(duì)于排氣閥的口徑尺寸和間距，當(dāng)前尚不存在統(tǒng)一的計(jì)算方法[2]，所以只能結(jié)合工程實(shí)際與經(jīng)驗(yàn)確定。如果空氣閥設(shè)置不當(dāng)，則會(huì)造成設(shè)備浪費(fèi)、管線進(jìn)氣與排氣能力不足，進(jìn)而影響供水工程的運(yùn)行安全。一般供水工程管道都具有口徑大、距離長(zhǎng)、多起伏、倒虹吸的特點(diǎn)，水流常常處在氣水兩態(tài)之間。由于管道內(nèi)氣囊占據(jù)了一定的過水?dāng)嗝妫植孔枇ο禂?shù)變大，會(huì)使得管道過流面積減少，導(dǎo)致供水不暢，甚至阻斷水流[3]。并且，空氣泡的彈性是導(dǎo)致管道振動(dòng)并引起水錘的關(guān)鍵因素，輕者造成承插管接口松動(dòng)使管路整體壓力下降、管道漏水量增大，重者造成水錘使管路甚至泵房遭受到嚴(yán)重破壞。此外，在輸水過程中，空氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致水泵增加約1/10的能耗以及金屬管道的腐蝕加速。

在排氣閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算過程中，一般假設(shè)管內(nèi)氣體始終在閥體附近聚集，但實(shí)際情況是供水管道中水體流態(tài)較為復(fù)雜，這一假設(shè)通常與實(shí)際并不相符，在無法掌握水流流態(tài)的情況下，自然很難確定排氣閥的性能。在供水工程初期用水量低于設(shè)計(jì)工況，管道內(nèi)水流流速相應(yīng)較低，管內(nèi)自由氣體很可能聚集形成氣囊滯留在管道內(nèi)，降低管道水流輸送能力，增加水流運(yùn)行困難，更有甚者會(huì)引起管道爆管、供水工程結(jié)構(gòu)破壞等安全事故。

2 排氣閥設(shè)置間距分析

2.1 排氣閥的原理及作用

復(fù)合式排氣閥是基于伯努利理論制造的一種在氣流推動(dòng)下保持完全開啟，但當(dāng)閥內(nèi)水面上升時(shí)，浮球能迅速浮上水面，并緊密封閉排氣通道的排氣閥。復(fù)合式排氣閥采用特定的浮球直徑，可使排氣時(shí)的推力能維持浮球在氣流經(jīng)過時(shí)保持開啟狀態(tài)，而當(dāng)閥內(nèi)水面上升時(shí)產(chǎn)生的浮力又能使浮球迅速浮起。

復(fù)合式排氣閥一般設(shè)置于供水管路上的相對(duì)高點(diǎn)及需要排氣的地方，依靠排出管道中的氣體來保持水流暢通，保證供水管路正常工作。如不安裝排氣閥或排氣閥數(shù)量不夠，管道隨時(shí)可能出現(xiàn)氣阻，迫使管路供水量下降。當(dāng)管路在供水運(yùn)行中出現(xiàn)停電、停泵等有可能產(chǎn)生水錘的緊急情況時(shí)，出現(xiàn)的負(fù)壓會(huì)引起管道振動(dòng)或爆裂，而排(吸)氣閥能迅速將空氣吸入管道內(nèi)，避免管道振動(dòng)或爆裂。排氣閥在管道充水時(shí)高速排出管道中的空氣保證管道內(nèi)的注水通暢，管道放空時(shí)吸入空氣保證管道內(nèi)的排水通暢，管路正常工作時(shí)可以不斷地排出進(jìn)入管路的空氣保證管路運(yùn)行安全。

2.2 排氣閥的間距設(shè)置

一般情況下，供水工程排氣閥設(shè)置間距應(yīng)保持在500～1000m范圍內(nèi)，當(dāng)局部地區(qū)存在起伏的相對(duì)高點(diǎn)時(shí)，也應(yīng)在每個(gè)高點(diǎn)都設(shè)置一個(gè)排氣閥，同時(shí)考慮供水管道輸送氣體的能力，該能力與水流流速、流態(tài)及供水管線布設(shè)等因素有關(guān)。供水管道中氣囊的穩(wěn)定性能由重力、浮力、水流拖曳力、水流表面張力等共同決定，詳見圖1。

圖1 供水管道中氣囊受力示意圖

從圖1可知，供水管道中氣囊在水流拖曳力及浮力的共同作用下會(huì)沿著水流方向運(yùn)動(dòng)，如果水流具有良好的輸送氣體條件，則氣囊穩(wěn)定性能較弱，會(huì)隨水流的運(yùn)動(dòng)而排出管道。由于管壁粗糙度不同，所以一些氣泡會(huì)滯留在管壁位置，對(duì)氣囊運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的減緩作用。供水管道中水流的拖曳力不同，則氣囊狀態(tài)不同，研究結(jié)果顯示，供水管道中水流流速、管徑大小、管道傾斜角度等均對(duì)水流輸送氣體的能力有影響，僅當(dāng)管道水流流速達(dá)到穩(wěn)定值vc時(shí)，管道中的水流才能順利將氣體帶到下游并經(jīng)排氣閥排出[5]。

水平與下降供水管道空氣閥的間距與水流流速v和臨界流速vc的取值有關(guān)，臨界流速vc為水流表面張力及管道傾角α的函數(shù)，與氣囊大小并無直接關(guān)系。對(duì)于特定的供水管道，如果不考慮水流張力因素，則vc與(gD)1/2成比例關(guān)系，公式如下：

(1)

式中D——供水管道內(nèi)徑,m；

g——重力加速度,m/s2。

在綜合考慮反映供水管道水流運(yùn)送氣體能力的臨界流速指標(biāo)的基礎(chǔ)上，可以得出供水管道空氣閥間距的參考值，詳見表1。

表1 供水工程排氣閥設(shè)置間距參考值

3 排氣閥口徑分析

在供水管道充水過程中，排氣閥可以將大量氣體排出，防止因運(yùn)動(dòng)中的水流沖擊氣體產(chǎn)生巨大正壓力可能造成的管道破壞，并在管道排空后快速吸氣，防止負(fù)壓破壞的發(fā)生。為了保證類似功能的正常發(fā)揮，必須在供水管道上安裝口徑合理的排氣閥(一般為大口徑進(jìn)氣閥和小口徑排氣閥)，在管道運(yùn)行過程中，大口徑進(jìn)氣閥應(yīng)關(guān)閉，利用小口徑排氣閥將水流所產(chǎn)生的少量氣體排出，而當(dāng)管道排空后立即關(guān)閉小口徑排氣閥并同時(shí)開啟大口徑進(jìn)氣閥?？梢?，在供水管道充水、排水等特殊工況下對(duì)排氣閥性能要求更高。

3.1 供水管道充水排氣時(shí)的口徑

通常情況下，供水管道充水量是管道設(shè)計(jì)流量的10%左右，充水速度不大于0.3～0.5m/s，排氣閥所處環(huán)境氣體的流速不大于30m/s，如果氣流過大可能會(huì)引起正在工作的排氣閥突然關(guān)閉，造成不利影響。根據(jù)供水管道與閥門承受水壓的能力確定實(shí)際流量與流速，管道流量可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中QF——供水管道充水后流量，m3/s；

AP——供水管道截面面積，m2；

a——水錘速度，m/s；

ΔH——根據(jù)管道確定的水錘升壓值，m。

在忽略不計(jì)空氣壓縮性能因素的情況下，供水管道充水流量與排氣流量近似相等，即

Qout=voutAout=QF

(3)

式中Qout——排氣流量,m3/s；

Aout——排氣孔面積，m2；

vout——排氣流速的可能值，m/s，取vout=30m/s。

根據(jù)式(3)可得大口徑進(jìn)空氣閥充水排氣時(shí)的口徑公式：

(4)

式中Dout——大口徑進(jìn)氣閥充水排氣孔尺寸，m；

DP——供水管道直徑，m。

3.2 供水管道放空進(jìn)氣時(shí)的口徑

通常情況下，供水管道放空流速不超過0.3～0.6m/s，為保證工程的正常運(yùn)行，必須結(jié)合管道放空時(shí)間進(jìn)行泄水閥口徑的設(shè)置，放空流量按下式計(jì)算：

(5)

式中QD——供水管道放空流量,m3/s；

Ag——泄水閥過水面積,m2；

ζ——泄水閥全開狀態(tài)下阻力系數(shù)，取ζ=0.14；

目前人們的收入水平大大提升，而且穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)環(huán)境也讓很多家庭的積蓄得到大大地增加，所以年輕人的生活費(fèi)用也因此得以增多。但是多數(shù)人不僅沒有站在更加有利的物質(zhì)環(huán)境下，實(shí)施正確、客觀的經(jīng)濟(jì)行為，反而在很多不合理因素的影響下，做出許多不合理的消費(fèi)行為。既造成了零花錢的浪費(fèi)，久而久之也形成了不正確的消費(fèi)心理。因此，現(xiàn)代年輕人作為我國(guó)未來的接班人，更要有正確的消費(fèi)理念，并且具備合理、健康的消費(fèi)方式，從而實(shí)現(xiàn)身心的健康成長(zhǎng)。從經(jīng)濟(jì)影響角度看，年輕人自身的消費(fèi)心理狀況也對(duì)社會(huì)消費(fèi)風(fēng)氣產(chǎn)生了一定影響，所以其自身要對(duì)不健康的消費(fèi)心理加深認(rèn)識(shí)，積極實(shí)行綠色消費(fèi)模式。

Δh——閥門兩側(cè)水流壓力差,m。

在管道周圍空氣可壓縮性忽略不計(jì)的情況下，放空流量與進(jìn)氣流量近似相等，即

Qin=VinAin=QD

(6)

式中Qin——空氣閥進(jìn)氣流量，m3/s；

Ain——進(jìn)氣閥進(jìn)氣孔面積，m2；

vin——進(jìn)氣閥所允許的進(jìn)氣流速,m/s，取vin=30m/s。

從而大口徑進(jìn)氣閥進(jìn)氣孔尺寸應(yīng)按下式計(jì)算：

(7)

式中Din——進(jìn)氣閥進(jìn)氣孔尺寸,m；

利用上述方法計(jì)算所得的供水工程進(jìn)氣閥口徑尺寸可能比實(shí)際情況要大，為此必須結(jié)合工程實(shí)際情況及供水設(shè)備的制造與安裝要求，并結(jié)合等面積原理采用若干數(shù)量小直徑排氣閥代替單個(gè)數(shù)量大口徑排氣閥，以縮小供水管道空氣閥口徑理論值與實(shí)際值之間的誤差。

4 算例分析

4.1 工程簡(jiǎn)介

黎城支線為辛安泉供水支線工程，該工程全長(zhǎng)26.29km，采用DN700球墨鑄鐵管，總揚(yáng)程231.1m，由山西省長(zhǎng)治市潞城區(qū)辛安泵站提水至黎城縣黎侯鎮(zhèn)上莊調(diào)蓄池，沿線增設(shè)西仵泵站(樁號(hào)LC16+410)。本文以西仵泵站至上莊調(diào)蓄池管線段為例進(jìn)行分析。

西仵泵站后管道約長(zhǎng)10km，平直段及下降段約3km，上升段約7km，水錘波速a=1000m/s,最高工作壓力185m，允許的水錘壓力按最高工作壓力的1.25倍計(jì)算。管線設(shè)計(jì)流量0.5m3/s，流速為1.29m/s，坡度α=1.85%。初設(shè)階段工程供水管線共設(shè)置19組排氣閥，排氣閥直徑為250mm，每組1個(gè)閥門，間距約為700m。

4.2 空氣閥間距的確定

本工程管線坡度α=1.85%，將其帶入式(1)中可以得到臨界流速vc=1.46m/s，本工程供水管道水流流速v為1.29m/s，vc>v，水流對(duì)于氣體的運(yùn)送能力較差，根據(jù)表1，至少需要布置14組空氣閥?？梢姡踉O(shè)階段所確定的空氣閥滿足計(jì)算要求。

4.3 空氣閥口徑的確定

本工程擬采用緩閉型復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥，該閥具備高低壓下進(jìn)排氣的多種功能。結(jié)合式(4)和式(7)可以求得供水管道充水過程中所要求的排氣口徑Dout=192mm，供水管道泄水過程中所要求的進(jìn)氣口徑Din=221mm，滿足管道進(jìn)排氣時(shí)的要求。

5 結(jié) 論

綜上所述，空氣閥作為供水工程中防護(hù)水錘的輔助性措施，必須進(jìn)行合理設(shè)置與設(shè)計(jì)。通常以反映管道輸水能力的臨界流速為參考，判斷空氣閥間距設(shè)置的合理程度，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管路實(shí)際縱斷面進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算充水與排水工況下排(進(jìn))氣閥口徑尺寸必須綜合考慮不同型號(hào)排氣閥所允許的氣流流速?？傊?，理論計(jì)算值與具體工況空氣閥實(shí)際值之間仍然存在較大誤差，必須結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)理論值進(jìn)行合理調(diào)整。