辛安泉供水工程排氣閥設置探討

李 亮

(山西省漳河水利工程建設管理局，山西 長治 046000)

隨著社會的發展，水資源是保證社會經濟持續增長的一大支柱，而供水工程在當今社會占有不可或缺的一席之地。由于我國大部分地區水資源在時空上分布不均，導致許多供水工程需要鋪設長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、水質變化小、工期短、對生態環境破壞小且投資少等優勢，但長距離管道中排氣閥的設置是管線設計時的重點問題，如果管道排氣不暢，會影響供水對象及運行單位的正常運行，并極易造成爆管，對供水對象及運行單位造成巨大的經濟損失。排氣閥設置的合理與否直接關系到管線是否能夠安全運行，供水質量是否能得到保證。因此，通過對排氣閥位置分布及口徑選取進行分析可以評估供水工程運行的安全可靠性。在理論研究的基礎上，本文以山西省辛安泉供水工程黎城支線為例，介紹工程實際應用中空氣閥設置與理論計算設置的偏差，判斷空氣閥設置的合理程度。

1 管線中氣體動態特性分析

1.1 管路中氣體特性

長距離供水工程管路系統中所攜帶的氣體主要來自：?事故搶修放空；?流量調節過快；?進水口淹沒深度不夠導致吸氣；?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，水流流態復雜，在管道充水及排水時尤為明顯。水流流態大致分為泡狀流、團狀流、環狀流、段塞流、氣泡流、層狀流、波狀流等。并且，各種流態之間會根據不同的因素相互轉換，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為自由氣泡、小氣囊及滯留大氣團。一般情況下，管道內氣體存在于以下幾處：?在管徑變化及管道交叉處，當水流速度較小時，氣體會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，當水流推力大于氣泡浮力時，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下的水體代替氣體的位置，將氣體全部排出管道外，而是會存在很多不連續的氣囊附著于管壁上，并且有時會隨著水流在管道中移動。而這些具有彈性的氣囊會對供水安全造成很大的影響。

1.2 排氣閥設置的必要性

排氣閥具有負壓防護及運行排氣等積極作用，在進行排氣閥的設置與設計時必須綜合考慮安設位置、口徑尺寸、間距等因素，結合工程經驗來看，排氣閥一般布設在供水管線隆起點和長直管道位置；對于排氣閥的口徑尺寸和間距，當前尚不存在統一的計算方法[2]，所以只能結合工程實際與經驗確定。如果空氣閥設置不當，則會造成設備浪費、管線進氣與排氣能力不足，進而影響供水工程的運行安全。一般供水工程管道都具有口徑大、距離長、多起伏、倒虹吸的特點，水流常常處在氣水兩態之間。由于管道內氣囊占據了一定的過水斷面，局部阻力系數變大，會使得管道過流面積減少，導致供水不暢，甚至阻斷水流[3]。并且，空氣泡的彈性是導致管道振動并引起水錘的關鍵因素，輕者造成承插管接口松動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重破壞。此外，在輸水過程中，空氣泡的存在會導致水泵增加約1/10的能耗以及金屬管道的腐蝕加速。

在排氣閥的設計與計算過程中，一般假設管內氣體始終在閥體附近聚集，但實際情況是供水管道中水體流態較為復雜，這一假設通常與實際并不相符，在無法掌握水流流態的情況下，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計工況，管道內水流流速相應較低，管內自由氣體很可能聚集形成氣囊滯留在管道內，降低管道水流輸送能力，增加水流運行困難，更有甚者會引起管道爆管、供水工程結構破壞等安全事故。

2 排氣閥設置間距分析

2.1 排氣閥的原理及作用

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

復合式排氣閥一般設置于供水管路上的相對高點及需要排氣的地方，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量不夠，管道隨時可能出現氣阻，迫使管路供水量下降。當管路在供水運行中出現停電、停泵等有可能產生水錘的緊急情況時，出現的負壓會引起管道振動或爆裂，而排(吸)氣閥能迅速將空氣吸入管道內，避免管道振動或爆裂。排氣閥在管道充水時高速排出管道中的空氣保證管道內的注水通暢，管道放空時吸入空氣保證管道內的排水通暢，管路正常工作時可以不斷地排出進入管路的空氣保證管路運行安全。

2.2 排氣閥的間距設置

一般情況下，供水工程排氣閥設置間距應保持在500～1000m范圍內，當局部地區存在起伏的相對高點時，也應在每個高點都設置一個排氣閥，同時考慮供水管道輸送氣體的能力，該能力與水流流速、流態及供水管線布設等因素有關。供水管道中氣囊的穩定性能由重力、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沿著水流方向運動，如果水流具有良好的輸送氣體條件，則氣囊穩定性能較弱，會隨水流的運動而排出管道。由于管壁粗糙度不同，所以一些氣泡會滯留在管壁位置，對氣囊運動也會產生一定的減緩作用。供水管道中水流的拖曳力不同，則氣囊狀態不同，研究結果顯示，供水管道中水流流速、管徑大小、管道傾斜角度等均對水流輸送氣體的能力有影響，僅當管道水流流速達到穩定值vc時，管道中的水流才能順利將氣體帶到下游并經排氣閥排出[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，臨界流速vc為水流表面張力及管道傾角α的函數，與氣囊大小并無直接關系。對于特定的供水管道，如果不考慮水流張力因素，則vc與(gD)1/2成比例關系，公式如下：

(1)

式中D——供水管道內徑,m；

g——重力加速度,m/s2。

在綜合考慮反映供水管道水流運送氣體能力的臨界流速指標的基礎上，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，防止因運動中的水流沖擊氣體產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，防止負壓破壞的發生。為了保證類似功能的正常發揮，必須在供水管道上安裝口徑合理的排氣閥(一般為大口徑進氣閥和小口徑排氣閥)，在管道運行過程中，大口徑進氣閥應關閉，利用小口徑排氣閥將水流所產生的少量氣體排出，而當管道排空后立即關閉小口徑排氣閥并同時開啟大口徑進氣閥。可見，在供水管道充水、排水等特殊工況下對排氣閥性能要求更高。

3.1 供水管道充水排氣時的口徑

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

(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——根據管道確定的水錘升壓值，m。

在忽略不計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。

根據式(3)可得大口徑進空氣閥充水排氣時的口徑公式：

(4)

式中Dout——大口徑進氣閥充水排氣孔尺寸，m；

DP——供水管道直徑，m。

3.2 供水管道放空進氣時的口徑

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行，必須結合管道放空時間進行泄水閥口徑的設置，放空流量按下式計算：

(5)

式中QD——供水管道放空流量,m3/s；

Ag——泄水閥過水面積,m2；

ζ——泄水閥全開狀態下阻力系數，取ζ=0.14；

目前人們的收入水平大大提升，而且穩定的經濟環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用也因此得以增多。但是多數人不僅沒有站在更加有利的物質環境下，實施正確、客觀的經濟行為，反而在很多不合理因素的影響下，做出許多不合理的消費行為。既造成了零花錢的浪費，久而久之也形成了不正確的消費心理。因此，現代年輕人作為我國未來的接班人，更要有正確的消費理念，并且具備合理、健康的消費方式，從而實現身心的健康成長。從經濟影響角度看，年輕人自身的消費心理狀況也對社會消費風氣產生了一定影響，所以其自身要對不健康的消費心理加深認識，積極實行綠色消費模式。

Δh——閥門兩側水流壓力差,m。

在管道周圍空氣可壓縮性忽略不計的情況下，放空流量與進氣流量近似相等，即

Qin=VinAin=QD

(6)

式中Qin——空氣閥進氣流量，m3/s；

Ain——進氣閥進氣孔面積，m2；

vin——進氣閥所允許的進氣流速,m/s，取vin=30m/s。

從而大口徑進氣閥進氣孔尺寸應按下式計算：

(7)

式中Din——進氣閥進氣孔尺寸,m；

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

4 算例分析

4.1 工程簡介

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

西仵泵站后管道約長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倍計算。管線設計流量0.5m3/s，流速為1.29m/s，坡度α=1.85%。初設階段工程供水管線共設置19組排氣閥，排氣閥直徑為250mm，每組1個閥門，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，水流對于氣體的運送能力較差，根據表1，至少需要布置14組空氣閥。可見，初設階段所確定的空氣閥滿足計算要求。

4.3 空氣閥口徑的確定

本工程擬采用緩閉型復合式高速進排氣閥，該閥具備高低壓下進排氣的多種功能。結合式(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氣口徑Din=221mm，滿足管道進排氣時的要求。

5 結 論

綜上所述，空氣閥作為供水工程中防護水錘的輔助性措施，必須進行合理設置與設計。通常以反映管道輸水能力的臨界流速為參考，判斷空氣閥間距設置的合理程度，并根據現場管路實際縱斷面進行調整。計算充水與排水工況下排(進)氣閥口徑尺寸必須綜合考慮不同型號排氣閥所允許的氣流流速。總之，理論計算值與具體工況空氣閥實際值之間仍然存在較大誤差，必須結合工程實際，對理論值進行合理調整。