压力管道输水的进排气设计与应用

水利水电技术第3 7卷2 0 0 6年第 l 2期 压力管道输水的进排气设计与应用 赵玺 ( 山西省万家寨弓 I 黄工程管理局，山西 太原0 3 0 0 1 2 ) 【 关键词】 有压管道；水锤；排气；空气阀 中图分类号：T V 6 7 2 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 0 6 ) 1 2 0 0 2 3 0 2 随着我国经济社会的快速发展，作为室外给水工 程的一个重要方面和水资源优化配置的重要措施，近 几年长距离、大口径管道输水干线工程建设有加速的 趋势，且正在发挥重要作用，其规模也愈来愈大。与 此同时，输水管道的安全运行问题必须引起高度重 视。多年来，在输配水管网因排气不畅而引发气爆型 水锤 ，从而导致爆管 的事故时有发生。然而 ，由于认 识和研究不够深入，特别是在设计、管理等环节重视 程度不够，或进排气设备选型不当，经补救后再次发 生爆管事故的也并不鲜见。为此，从输水工程的安全 出发， 应当从工程设计、设备选型和空气阀类产品制 造等各个环节严格把关，力求规范，以使我国引、调 水工程建设水平再提高一步。 1 有压管道内气体的赋存形态和危害 有压管道在充水或排水时，要排出或吸入相同体 积的气体；输水过程中也会因压力和温度变化造成气 体( 含部分水蒸汽) 析出和气泡聚集，需要及时排出。 当缺乏必要的排气设施，或排气设施效率不高、甚至 不能正常工作时，气体就会集聚在管道系统中。在水 泵输水系统中发生停泵水锤时，为了防止低压区水柱 拉断( 即冷沸汽化) 再弥合引起的严重后果，则需要 迅速补充空气和缓冲。 进入管道的气体虽然同输送液体处于相同的压强 之下， 但由于气、液重度差和液体表面张力的作用， 气体总是在管道内的高处出现，这些气泡在重力和水 流冲力的共同作用下，或分散存在于较平缓下坡( 对水 流而言) 段管道顶部，或存在于起伏管线的管道隆起 处；也可存在于缩径管、孔板和未全开的阀门前等存 气构造处。气泡在管道内所处的位置，取决于其力的 平衡条件：当气泡重度差的管轴向分力同水流方向一 致时，气泡随水流方 向前进 ；反之 ，气泡则受摩擦力 Wa t e r Re s o u rc e s a n d Hy d ro p o we r E n g i n e e r in g V o 1 3 7 No 1 2 作用而滞留于管壁甚至逆向流动。因此上坡管道的气 体较易于排出，下坡管道的气体则不容易随水流排走。 有压管道内气体的危害是多方面的，仅从安全方 面说， 气泡实际上是处于运动和压力振荡之中的，其 运动和压力振荡反过来又引起水流速度的变化，从而 引发气爆型水锤。供水管网中发生爆管事故，排气不 畅是主要原因，在小口径管道中，还可能因气囊阻断 水流，造成通水困难，增加运行成本。 在有压输水管道系统设计中，应该高度重视排气 问题，优化线路、减少存气构造，合理设置排 ( 进 ) 气设备。国外有关专家曾说过：对于管道排气不畅的 危险，在工程实践中被大大的低估了。设计工程师应 主动地研究水锤问题，在工程中预先安装包括排气设 备在内的控制水锤的设备，而不要等到严重事故发生 后才试图补救。 2 进排气设计 2 1 目前存在的问题和不足 有压管道输水系统的进排气设施是其必不可少的重 要组成部分。而我国在有压管道输水工程设计中， 对进 排气问题的研究和重视程度还很不够，缺乏这方面的规 范、 计算手段和工具。以往我国的输水管道工程规模较 小， 缺乏大型管道工程的设计经验和技术积累。空气阀 的设置多数按经验行事， 早期的设计手册也规定可以不 经计算查表选取， 这种睛 况已 经很难适应当前要求。存在 的问题主要在谢 十 和生产两方面：( 1 ) 设计缺乏规范， 如 进排气量计算和空气阀 基本类型、 要求的规范和空气阀的 选用原则、 方法；( 2 ) 空气阀生产不规范，空气阀生产厂 家缺乏不同规格产品在不同压差下的空气流量率定资料。 收稿 日期 ：2 0 0 6 - 0 8 - 3 1 作者简介 ：赵氧( 1 9 6 9 ) ，男 ，高级工程师 ，工程处处长。 维普资讯 赵玺压力管道输水的进排气设计与应用 空气阀应当根据需要排除( 或吸入) 的空气量来 选取。由于产品形式不尽相同，同样口径的阀，其空 气流量差异达 l O 倍之多，仅仅按照管道直径的比例 ( 如 1 51 8 ) 选取是不合适的。 只在隆起点设置进排气阀是远远不够的。当水平 管道过长时，同样应该每隔一定距离设置进排气阀， 以便于就近排气。况且设计的管道水平段，由于施工 偏差，不可能保证全部水平。 在排气阀选用设计中，相当多的案例存在简单化 倾向。选用设备不进行计算，多数选用同一类型、同 一 口径的进排气阀。实际上，阀的型式不同，过阀空 气流量的差异很大。 2 2 进排气设计需要考虑的三种工况 空气阀是保证压力管道输水系统输水安全的极为重 要的关键设备之一。按照系统的运行状态，空气阀的作 用可以就三种情况来进行分析：( 1 ) 在管道系统投产前 的充水过程和暂停运行时的排水过程中，空气阀的作用 是及时排除管内空气，以免产生气阻或随时补充空气， 避免产生负压， 在此阶段，空气的进入和排出是快速和 大量的。( 2 ) 在管道正常运行中， 空气阀的作用是排除 液体中 逸出的气( 汽) 体， 在此阶段的排气是在有压情况 下进行的， 排气量较小且不连续。( 3 ) 在发生水力瞬变 情况下， 空气阀虽然不可能缓和水锤正压值， 但却能够 在负压下快速进气；当发生断电停泵、出现水柱拉断弥 合水锤时， 空气阀的作用就更为重要。 2 3 进排气设计的定性、定量方法 压力管道进排气设计，应当以管道内气、水运动 的流体力学分析为基础。根据近年来的设计实践，长 距离有压输水管道进排气设计应该“ 以控制充排水流 量为基础，重在三线三点，定性与定量结合” 。在管 道初次充水时，控制充水流量非常重要，这不仅关系 到是否发生水锤，同时也是控制空气阀规模的重要方 面；“ 三线三点” 是指根据输水管线纵剖面特征确定的 “ 上坡段、下坡段、长水平段和高点、低点、 坡度边陡 点” 等六个特征单元；进排气设计目 前还不可能完全采 用定量方法，因此需要定性与定量相结合。 充水和排水时的排进气设计，由于其进排气量较 大，目 前采用定量方法。总体上说，管道初次充水时 是一个液体进入、气体排出的过程。但在管道系统的 下坡段，由于水流运动的挟气作用，空气阀往往是进 气的。管线高点、坡度变陡点，以及下坡段的进气量 计算可以用定量计算公式来计算。在管道的上坡段和 长水平段，充水时的排气量，可按充水流量的0 5 1 倍，即按照邻近的 1 2 个空气阀起作用来考虑。 2 4 正常运行时的排气设计，只能采用定性方法。正 常运行时的排气应当采用高压排气阀。按照水中溶解 的空气为 2 3 计，其排量很小，按照合理间距 设置排气阀即可。这里所说的合理间距主要视管道直 径而定，管径大则间距亦大。管道直径大于 1 m时。 在水平段、下坡段可按不大于 l k m间距设置；在管 线的上坡段，间距可加大。但当采用一体式空气阀 时，因其已经包括了低压进、排气和高压排气两种功 能，只须按照上述间距、本着不小于计算口径的精神 设置即可。 发生停泵水锤时的汽化点( 水柱拉断) 处的空气 阀设置，尽管可以采用定量方法，但由于其进气的绝 对量并不大，因此按照充排水时的进排气设计量已经 能够满足要求，故可不进行计算。 管线低点不设空气阀。为了提高空气阀的安全 性，最好能采用并列双阀布置。 3 空气阀的规范与选型 国外研制开发的空气阀种类繁多， 新产品层出不 穷，可以满足多种多样的市场需求。为了完善和发展 我国的阀类产品生产，首先应当制定和统一技术标 准，从排( 进) 气 阀的基本类型、压力等级、口径、 材质、安全系数、产品试验( 率定) 、检验和售后服 务等方面进行规范，实现标准化、系列化。 美国国家标准协会和给水工程协会于 1 9 9 6 年制订 了 供水用排气阀、 空气 真空阀和组合式空气阀 ( A N - S I A WWA C 5 1 2 ) ， 对空气阀产品的规范产生了积极的影 响。 该标准根据工作条件和阀的功能，把排( 进) 气阀划 分为高压微量排气阀( 小孔口阀) 和低压高速排( 进) 气阀 ( 大孔 口阀) 两类 ，在此基础上定义了三种基本阀型，从 而厘清了有关空气阀选用的基本的概念。 上述定义是针对起初的浮球式空气阀的， 该组合 式阀系将小口径高压阀通过螺栓孔附着在较大体积的 低压阀上。后来，以色列发明了卷帘式高压排气阀， 使排气量扩大了约 l O倍， 但形式上依然采用附着式。 最近新推出的双浮体式空气阀( 相当于组合式空气阀) ， 其控制高低压排气的大小两个浮体设在同一个阀腔内， 从结构上将高、 低压排进气功能融合到了一起，从而 颠