范建強

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局, 遼寧 沈陽　110166)

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有壓密閉輸水工程排氣性能研究與分析

范建強

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局, 遼寧 沈陽110166)

水體摻氣運行是管線空蝕及輸水效率降低的重要原因。因此，如何均勻、快速地進行管線排氣尤為重要。本文依據(jù)大伙房輸水工程的運行實踐，闡述了排氣設(shè)備的優(yōu)化布設(shè)。同時，介紹了如何針對不同的管線排氣規(guī)模和運行方式，建立管線初次充水時的大排氣及管線正常有壓輸水時的小排氣機理，最終計算得出所需的管線排氣速度及孔口尺寸。該研究為工程排氣閥的設(shè)計、選型提供了重要的依據(jù)，具有重大的工程應(yīng)用價值。

有壓密閉； 輸水； 排氣速度； 孔口尺寸

1　引　言

大伙房水庫輸水二期工程是解決遼寧省中南部水資源短缺問題的重大區(qū)域性水資源配置工程，工程源頭位于東北山區(qū)，而沿線多處在地勢平坦的東北平原，全線采用有壓密閉的輸水運行方式，由于輸水距離長達400km，沿線共布設(shè)了1100多臺空氣閥進行管線的進排氣卡調(diào)節(jié)。管線排氣是管線防水錘、防噪的重要保障，在工程整個運行期間起著重要的作用。依據(jù)調(diào)度運行方式不同及排氣規(guī)模大小，管線的排氣分為大排氣、小排氣兩種。

1.1大排氣

當一項有壓密閉輸水工程建設(shè)完工以后到正式投運之前，須要排盡管線內(nèi)部的空氣，從排氣規(guī)模而言，此部分排氣量較大，屬于管線的大排氣范疇，發(fā)生于管線充水調(diào)度過程。大排氣主要是利用來自上游的高水頭水體或通過泵組加壓送水方式，對管內(nèi)空氣進行加壓，使管內(nèi)氣壓高于外界的大氣壓，在壓差驅(qū)動下，將管內(nèi)空氣通過工程沿線預(yù)設(shè)的排氣閥排出。當工程沿線較長時，可以分段對工程沿線進行充水，自上而下進行排氣。結(jié)合遼寧省大伙房水庫輸水工程的多年運行實踐，管線充水管段的劃分，除考慮沿線布設(shè)的排氣設(shè)備外，還應(yīng)當充分考慮沿線穩(wěn)壓塔的布設(shè)方位、管線起伏、管徑變化、調(diào)流閥的分布情況等因素，首選調(diào)流閥作為充水調(diào)度的控制界點，完善充水管段劃分。

1.2小排氣

當有壓密閉輸水工程正式投運以后，工程沿線還應(yīng)當設(shè)有小氣孔的空氣閥進行微量排氣，此部分氣體源于水體里溶解的氣體。根據(jù)朗格化學(xué)手冊[2]，當溫度為15℃，液面大氣壓為標準大氣壓時，水體里至少可溶解2%的氣體。當水體處于承壓狀態(tài)時，水體可攜帶氣體的能力將得到巨大的提升。對于密閉有壓輸水工程而言，由于工程沿線的起伏、調(diào)流閥的調(diào)壓節(jié)流、管徑變化引起的流速變動等，都將會造成管段出現(xiàn)低壓區(qū)，此時，由于水體溶氣的過飽和，將會不斷有氣泡從水體中冒出。若工程沿線走向過于平緩，氣泡將沿線均勻分布且沒有在相對高點聚集，將會堵塞過流斷面，造成輸水能力的下降。因此輸水工程在建設(shè)時應(yīng)充分考慮沿線高程走向，避免平緩過渡。當溶氣能夠被攜帶時，通常會在相對高點處形成聚集，在此處布設(shè)合理的空氣閥進行排氣，將有效保障工程的安全運行。否則，若工程不能形成有效的排氣，水氣混流途徑相對高壓區(qū)時將會引起水擊，破壞管線，產(chǎn)生管路噪音，引起管線腐蝕，造成沿線設(shè)備及測量儀表的故障。

2　管線排氣閥的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)管線排氣規(guī)模不同，輸水管線的大排氣(即充水排氣)，可以通過排氣閥和真空吸氣閥進行，主要是因為在初始狀態(tài)下排氣閥和真空吸氣閥均是敞開的。對于排氣閥而言，初始狀態(tài)下可以通過孔口順利排氣，當水流進入閥體后，浮球會因為浮力而升起，并因此關(guān)閉排氣口，當管線系統(tǒng)內(nèi)的氣體聚集到一定程度時，它將排開水體，在壓力作用下使浮球下落，打開孔口，進行排氣，而真空吸氣閥則不同，真空吸氣閥的初始狀態(tài)雖然是開啟的，可以暫時用來為管線充水排氣，但水體一旦進入閥體，浮球上升將會關(guān)閉孔口，當管線壓力大于大氣壓時，真空吸氣閥也不再重新開啟排氣。常見的經(jīng)典排氣閥結(jié)構(gòu)如下圖所示。

經(jīng)典排氣閥結(jié)構(gòu)

需要說明的是，由于大排氣與小排氣的差異，采用經(jīng)典排氣閥同一孔口進行排氣往往不能滿足工程需要。目前已陸續(xù)出現(xiàn)雙孔排氣閥體，通過優(yōu)化孔口尺寸，往往可以達到更好的穩(wěn)壓和控制水氣分離的效果。

3　管線排氣閥的安裝位置

根據(jù)輸水管線的需要，除了在靠近水力坡度線的位置，即相對高點處應(yīng)當布設(shè)排氣閥外，在以下的管線部位也應(yīng)當布設(shè)排氣閥，如：泵站的出口、陡下坡的起點(或頂點)、緩上坡段、長上坡段、水平管段的起點、終點及沿線800m距離內(nèi)至少應(yīng)布設(shè)一個排氣閥[2]。

4　有壓管線排氣計算

4.1管線充水時的大排氣性能計算

管線的初次充水，管內(nèi)空氣的排出速度應(yīng)該與管線充水的速度一致，充水應(yīng)當采用平緩的速率進行，從而避免管線的波動，推薦采用0.3m/s的充水速度進行[3]。

若假定排氣閥安裝位置為水平面，大氣壓強為標準大氣壓，溫度為15℃，輸水管線初次充水時排氣閥的壓差約為13.8kPa，配有防沖擊或者緩閉設(shè)備的閥門，充水排氣壓差可以達到34.5kPa。對于高海拔地區(qū)以及氣溫惡劣的情形，需要進行壓力修正。

另外，排氣閥充水排氣時，不考慮熱量交換，且假定排氣閥孔口的泄流系數(shù)為0.7～0.8，介于絕對圓形孔和規(guī)則方形孔口之間。在此情況下，排氣流量Q與充水流量q的關(guān)系為：Q=nq，其中n的取值范圍為0.152～0.179。

在進行排氣閥孔口直徑大小選擇時，不同閥門型號的生產(chǎn)廠家可以采用不同的泄流系數(shù)及計算方法，在已知排氣流量大小及排氣壓的情況下，通過表1可以查詢滿足工程排氣設(shè)計的孔口直徑大小。

表1　輸水管線初次充水時大孔口排氣性能參數(shù)　單位：L/s

4.2管線有壓輸水時的小排氣性能計算

除了管線投運之前需要進行充水排氣之外，在管線輸水運行過程中，也需要進行微量排氣。

管線輸水運行過程的排氣，主要來自于水體的溶解氣體，即小孔口排氣量大致為標準條件下水體內(nèi)部溶解或攜帶的2%的氣體量?？紤]到長距離輸水工程沿線的高壓力，在進行氣體排量計算時，應(yīng)當考慮氣體的可壓縮性以及排氣過程的絕熱性，即排氣過程中不存在熱量交換。在管線輸水高壓運行時，若閥體內(nèi)部的氣體壓力超出外界壓力的1.9倍，即管內(nèi)氣體壓力達到192kPa時，將會產(chǎn)生臨界的音速排氣，即使壓力繼續(xù)升高，由于排速受限，也不會產(chǎn)生超音速排氣。除此之外，當出現(xiàn)亞音速排氣時，管線氣體壓力通常低于90kPa。

小排氣孔口選擇的計算步驟：?確定排氣閥安裝處對應(yīng)的管線過流流量大小；?排氣流量折算，為過流流量的2%；?計算排氣閥處的內(nèi)水壓力值；?在已知排氣流量及內(nèi)水壓力值的情況下，查詢對應(yīng)條件下的孔口尺寸，可參照美國水行業(yè)協(xié)會推薦設(shè)備型號表格(如表2所列)。

5　結(jié)　論

輸水管線的排氣特性研究是有壓密閉輸水工程必須解決的重要課題。良好的排氣性能，應(yīng)當與管線尺寸、水力參數(shù)相對應(yīng)，這樣才能夠保障工程的運行安全。同時，在重點研究排氣閥孔口尺寸的基礎(chǔ)上，工程人員

表2　輸水管線運行過程時小孔口排氣性能參數(shù)　單位：L/s

還應(yīng)當對排氣閥在管線上的連接進口型號、閥體的承受壓力極限、閥體的鑄造材料、閥體構(gòu)造及浮球杠桿裝置等參數(shù)進行慎重選擇，以提高其使用效率和壽命。

[1]Dean J A.Lange’s Handbook of Chemistry[M]. New York:McGraw Hill,1992.

[2]Val-Matic Value & Mfg.Corp.Theory,application,and sizing of air valves[R].1997.

[3]曲興輝，周林虎.大伙房水庫輸水(二期)工程全線調(diào)度規(guī)程[R].沈陽：遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，2011.

Research and analysis on exhaust performance of pressure airtight water conveyance project

FAN Jianqiang

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Water aeration operation is an important reason for pipeline cavitation and water delivery efficiency reduction. Therefore, how to evenly and rapidly exhaust the pipeline is particularly important. In the paper, optimized distribution of exhaust equipment is described according to operation practice of Dahuofang water conveyance project. Meanwhile, the establishment of large exhaust mechanism during pipeline initial water filling and small exhaust mechanism of pipeline normal pressure water conveyance aiming at different pipeline exhaust scale and operation mode, and the final calculation of the required pipeline exhaust speed and hole dimension are introduced. The research provides important basis for designing and selecting model for project exhaust value with significant project application value.

pressure airtight; water conveyance; exhaust velocity; hole dimension

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.007

TV672

A

1005-4774(2016)01-0020-03