長(zhǎng)距離輸水工程抗雜耐污空氣閥的研發(fā)與應(yīng)用

梁 棟，丁 峰，李寧博，韓 勃

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061)

為解決內(nèi)蒙古自治區(qū)乃至全國(guó)水資源分布地域不均[1- 2]和供水需求日益增長(zhǎng)的矛盾，修建跨流域的長(zhǎng)距離輸水工程成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)[3- 4]。例如，1949年之后，我國(guó)修建了最大的長(zhǎng)距離輸水工程——南水北調(diào)工程。2014年5月21日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，按照統(tǒng)籌謀劃、突出重點(diǎn)的要求，在繼續(xù)抓好中小型水利設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，集中力量有序推進(jìn)一批全局性、戰(zhàn)略性節(jié)水供水重大水利工程，在“十三五”規(guī)劃、末建成的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程中，長(zhǎng)距離輸水工程占大部分。內(nèi)蒙古最大規(guī)模的水利工程——引綽濟(jì)遼工程是全國(guó)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，也是一項(xiàng)長(zhǎng)距離輸水工程。

在長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥的設(shè)置尤為重要[5]，根據(jù)SL 430—2008《調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，輸水管道隆起點(diǎn)應(yīng)設(shè)置通氣設(shè)施，管道豎向布置平緩時(shí)宜間隔1000m左右設(shè)置一處通氣設(shè)施。空氣閥設(shè)置的位置、數(shù)量、選型還和水力過(guò)渡分析計(jì)算有關(guān)[6]。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的空氣閥主要分三類：低壓大量進(jìn)排氣閥、高壓微量排氣閥和復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥[7- 8]。低壓大量進(jìn)排氣閥主要用在管道初次充水和放空時(shí)，要排出或吸入大量空氣；高壓微量排氣閥主要用在工程正常運(yùn)行中，排出水中產(chǎn)生的微量氣團(tuán)[9- 11]。根據(jù)CJ/T 217—2013《給水管道復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥》，復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥設(shè)有大、小進(jìn)排氣孔，設(shè)有管道充水時(shí)能快速排氣，管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)又能快速進(jìn)氣，在正常工作狀態(tài)下能排出管道中聚集的少量氣體，排氣后又能自動(dòng)閉閥的進(jìn)、排氣裝置。復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥同時(shí)具備低壓大量進(jìn)排氣閥和高壓微量排氣閥兩種空氣閥的功能，也是在長(zhǎng)距離輸水工程中應(yīng)用最多的一種空氣閥。但是不管哪種空氣閥，都不具備過(guò)濾反沖洗裝置，在輸送含雜質(zhì)較多的原水時(shí)，極易發(fā)生排氣孔堵塞。復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥大排氣孔堵塞、關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)，會(huì)造成漏水甚至淹沒(méi)大片農(nóng)田；小排氣孔堵塞會(huì)造成管道集氣，過(guò)流能力下降、斷流甚至發(fā)生嚴(yán)重的水錘危害。因此，解決空氣閥的堵塞，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗、排污，成為亟待解決的科學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 目前國(guó)內(nèi)解決空氣閥堵塞問(wèn)題的辦法

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)空氣閥堵塞的問(wèn)題多采用人工拆卸后對(duì)閥體進(jìn)行清洗的方法，既耗費(fèi)人力又耽誤時(shí)間。如2017年內(nèi)蒙古蒙維科技有限公司供水工程由于空氣閥堵塞，第一次通水失敗，采取人工拆卸清洗全線空氣閥的措施后通水成功，比預(yù)計(jì)通水時(shí)間延后2周，前后投入人力20人次。引綽濟(jì)遼工程輸水線路總長(zhǎng)390多km，設(shè)置空氣閥300余座，確?？諝忾y不發(fā)生堵塞事故，正常排氣補(bǔ)氣，是工程安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障之一。

2 抗雜耐污空氣閥研發(fā)與應(yīng)用的步驟

2.1 設(shè)計(jì)制造

內(nèi)蒙古水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合沈陽(yáng)碩晟自控設(shè)備有限公司，通過(guò)調(diào)研收集資料、討論制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，管道通水運(yùn)行模擬試驗(yàn)等一系列工作，終于在2019年8月生產(chǎn)出第一臺(tái)DN150、1.6MPa抗雜耐污空氣閥。

2.2 檢測(cè)鑒定

目前已申請(qǐng)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)枺?01920656690.4)，2020年3月17日國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局已經(jīng)授權(quán)；委托遼寧省水利水電研究院進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)報(bào)告(2019JPF002)中該空氣閥有過(guò)濾、清除雜質(zhì)的功能。下一步計(jì)劃請(qǐng)水利部鑒定機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鑒定，出具鑒定意見(jiàn)。

2.3 成果轉(zhuǎn)化

選擇國(guó)內(nèi)知名的閥門(mén)生產(chǎn)廠家，進(jìn)行抗雜耐污空氣閥的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并選擇合適的工程進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3 抗雜耐污空氣閥的的設(shè)計(jì)思路

抗雜耐污空氣閥的設(shè)計(jì)思路是在復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥的基礎(chǔ)上，將其傳統(tǒng)的內(nèi)部金屬件換成耐腐蝕、抗酸堿的聚丙烯材料。在其下閥體進(jìn)水端增加斜插入的濾水裝置，該裝置為圓柱形，內(nèi)置環(huán)形不銹鋼濾網(wǎng)，在環(huán)形濾網(wǎng)內(nèi)設(shè)置電動(dòng)清洗鋼刷，在濾水裝置頂部設(shè)置一個(gè)負(fù)壓開(kāi)啟吸氣裝置,如圖1、圖2所示。在管道排氣過(guò)程中，水只能通過(guò)內(nèi)置環(huán)形濾網(wǎng)進(jìn)入空氣閥，從而將水中的雜質(zhì)濾出，不會(huì)影響空氣閥正常工作。由于在復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥的基礎(chǔ)上增加了過(guò)濾網(wǎng)裝置，勢(shì)必造成原空氣閥的吸氣量有所減少，所以為彌補(bǔ)這一缺陷，在過(guò)濾裝置頂部又增加了一個(gè)負(fù)壓開(kāi)啟裝置，以便負(fù)壓時(shí)吸氣。在濾水裝置另一端安裝一個(gè)排污球閥，以便清洗濾水裝置后排出的污水和雜質(zhì)。其缺點(diǎn)是需人工或外界動(dòng)力旋轉(zhuǎn)清洗鋼刷進(jìn)行清潔濾網(wǎng)，自動(dòng)化程度低。

圖1 抗雜耐污空氣閥結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖2 抗雜耐污空氣閥實(shí)物圖

抗雜耐污空氣閥主要解決復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥在水源泥沙含量較大、輸水管道中有雜質(zhì)、輸送中污水的情況下易堵塞、易腐蝕、易跑水、排氣不暢等問(wèn)題。

4 抗雜耐污空氣閥的使用方法及步驟

由于每個(gè)工程中流進(jìn)過(guò)濾網(wǎng)的水質(zhì)各不相同，因而對(duì)過(guò)濾網(wǎng)的清洗周期也有所不同。一般每年應(yīng)清洗一次，如果水中泥沙含量較大、雜質(zhì)較多，應(yīng)每半年清洗一次。在線清洗步驟如下：

首先關(guān)閉過(guò)濾裝置下端與管道連接的閥門(mén)，并確保此時(shí)過(guò)濾裝置不再進(jìn)水、進(jìn)氣，然后使電動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭與清洗桿連接緊密，通電后并使清洗桿做上下及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，3min后，開(kāi)啟過(guò)濾裝置上的排污球閥進(jìn)行排水，直到排污球閥不再向外流水為止，最后關(guān)閉排污球閥和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)，這就完成第一輪清洗過(guò)程。待第二輪清洗時(shí)，再打開(kāi)過(guò)濾裝置下端與管道連接的閥門(mén)，使空氣閥重新充滿水。關(guān)閉過(guò)濾裝置與管道連接的閥門(mén)，重復(fù)第一輪的清洗過(guò)程。這樣反復(fù)沖洗幾次，直至排污球閥流出的是管道原水，關(guān)閉排污球閥，取下電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)，完成清洗工作。

5 結(jié)語(yǔ)

抗雜耐污空氣閥的研發(fā)與應(yīng)用，可有效解決長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥堵塞、人工拆卸清洗的問(wèn)題。本次研發(fā)產(chǎn)品我們定義為一代產(chǎn)品，其缺點(diǎn)是需人工或外界動(dòng)力旋轉(zhuǎn)清洗鋼刷進(jìn)行清潔濾網(wǎng)，自動(dòng)化程度低。以后還將研發(fā)二代產(chǎn)品，將結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，近幾年長(zhǎng)距離輸水工程日益增多，空氣閥的市場(chǎng)需求量很大，所以，抗雜耐污空氣閥具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。