一、輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型關(guān)于排氣閥及其特性

排氣閥在輸水管道系統(tǒng)中，用作管道充水時(shí)排氣、排水時(shí)向管內(nèi)補(bǔ)氣和正常運(yùn)行時(shí)排出管道內(nèi)微量氣體。其除具有容性和慣性元件的一般特性外，過(guò)閥氣流的壓力特性和排氣閥的流量特性及排氣閥上下游管道內(nèi)水流特性是至關(guān)重要的。在長(zhǎng)距離,大直徑輸水管道工程中,排氣閥的合理設(shè)置對(duì)工程安全起著至關(guān)重要的作用.所以,工程設(shè)計(jì)人員對(duì)排氣閥的選擇和布置也日漸重視.本文通過(guò)對(duì)有壓輸水管道系統(tǒng)中排氣閥特性,管內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)和對(duì)系統(tǒng)的危害進(jìn)行研究,提出了排氣閥選型設(shè)計(jì)的方法和應(yīng)注意的問(wèn)題,可供工程技術(shù)人員在供水管道工程設(shè)計(jì)中借鑒.

1.1輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型 過(guò)閥氣流的壓力特性

排氣閥的排氣和補(bǔ)氣過(guò)程可視為等熵流動(dòng)，且氣流流入和流出也有區(qū)別。對(duì)于空氣這種特定氣體，其滯止壓力Po和臨界壓力Pcr都有固定值，且對(duì)于一定馬赫數(shù)的氣流，其壓力區(qū)間也是確定的，即有Pcr/P0。對(duì)于已建成的輸水管道，管道外部大氣壓力Pa也是已知的，且當(dāng)流入排氣閥時(shí)有Po=Pa，則過(guò)閥氣流的壓力可表示為：

1.2 輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型排氣閥的流量特性

過(guò)閥的空氣流滿足等熵流動(dòng)條件，當(dāng)管內(nèi)開(kāi)始注水時(shí)，塞頭停留在開(kāi)啟位置，進(jìn)行大量排氣，當(dāng)空氣排完時(shí)，閥內(nèi)積水浮球被浮起，傳動(dòng)塞頭至關(guān)閉位置，停止大量排氣；當(dāng)管內(nèi)水正常輸送時(shí)，如有少量空氣聚集在閥內(nèi)到相當(dāng)程度，閥內(nèi)水位下降，浮球隨之下降，此時(shí)空氣則由小孔排出。當(dāng)抽水機(jī)停止，管內(nèi)水流空時(shí)，或遇管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，此時(shí)塞頭開(kāi)啟，吸入空氣確保管線安全。
1.3 排氣閥上下游管道內(nèi)水流特性

 由于排氣閥的工作和空穴內(nèi)空氣參數(shù)變化，使氣閥附近管內(nèi)水流具有瞬變特性。因?yàn)樗沧兞鲗?shí)質(zhì)是非定常流動(dòng)，所以用非定常流方程組來(lái)描述氣閥附近管內(nèi)的水流特性。它的差分形式方程為：

2 輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型有壓輸水管道內(nèi)的氣體形成、運(yùn)動(dòng)和對(duì)系統(tǒng)的危害

2.1 有壓輸水管道內(nèi)的氣體形成和運(yùn)動(dòng)

進(jìn)入管道的氣體雖然同輸送液體處于相同的壓強(qiáng)之下。但由于氣、液重度差和液體表面張力的作用，氣體一般會(huì)出現(xiàn)在管道內(nèi)的制高點(diǎn)，這些微小氣泡聚集在一起逐漸形成大氣泡甚至氣包。這些氣包在重力和水流沖力的共同作用下，它們或分散存在于較平緩下坡（對(duì)水流而言）段管道頂部，或存在于起伏管線的管道凸起處。氣包在管道內(nèi)所處的位置，取決于其力的平衡條件。當(dāng)氣包重度差的管軸向分力同水流方向一致時(shí)，氣包隨水流方向前進(jìn)；反之，氣包則受摩擦力作用而滯留于管壁甚至逆向流動(dòng)。因此上坡管道的氣體較易于排出，下坡管道的氣體則不易隨水流排走。

2.2 有壓輸水管道排氣閥設(shè)置不當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的危害

有壓輸水管道在充水或排水時(shí)，要排出或吸入相同體積的氣體；正常輸水過(guò)程中需要排出帶入管道的微量氣體或因壓力和溫度變化析出的氣體。當(dāng)缺乏必要的排氣設(shè)施、排氣閥選型不合理、排氣閥布置不當(dāng)或排氣閥不能正常工作時(shí)，氣體就會(huì)集聚在管道系統(tǒng)中。這些氣體在管道水流發(fā)生非正常調(diào)節(jié)工況時(shí)，如輸水系統(tǒng)發(fā)生事故停泵、輸水管道系統(tǒng)切換、控制調(diào)節(jié)閥誤操作等，輕則會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，重則會(huì)使管道輸水系統(tǒng)遭到破壞。

有壓管道內(nèi)積存氣體對(duì)系統(tǒng)的危害是多方面的。首先會(huì)影響管道安全運(yùn)行，氣包實(shí)際上是處于運(yùn)動(dòng)和壓力振蕩之中的，其運(yùn)動(dòng)和壓力振蕩反過(guò)來(lái)又引起水流速度的變化，從而引發(fā)氣爆型水錘。供水管網(wǎng)中發(fā)生爆管事故，排氣不暢是主要原因。其次，在小直徑輸水管道中，由于附著于管壁的氣泡或氣囊縮減了管道過(guò)水?dāng)嗝嫔踔磷钄嗨?，減小輸水流量，影響需水戶(hù)正常生產(chǎn)和生活用水，同時(shí)還會(huì)增加運(yùn)行成本。

3 輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型選型和布置

3.1 排氣閥選型存在的問(wèn)題

如前所述，在有壓輸水管道系統(tǒng)中，排氣閥是*的重要組成部分。而我國(guó)在有壓管道輸水工程設(shè)計(jì)中，對(duì)進(jìn)排氣問(wèn)題的研究和重視程度還很不夠，缺乏這方面的規(guī)范、計(jì)算手段和工具。以往我國(guó)的輸水管道工程規(guī)模小，管徑小，缺乏大直徑管道工程的研究和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。排氣閥的設(shè)置大多按經(jīng)驗(yàn)選取，早期的設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定可以不經(jīng)計(jì)算直接查表選取，這些方法已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今的大直徑輸水管道工程設(shè)計(jì)需要。存在的問(wèn)題主要在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)兩方面：

（1）設(shè)計(jì)缺乏規(guī)范，如排氣量計(jì)算和排氣閥基本類(lèi)型、要求的規(guī)范和排氣閥的選用原則、方法；（2）排氣閥生產(chǎn)不規(guī)范，生產(chǎn)企業(yè)缺乏大口徑排氣閥在不同壓差下的排進(jìn)氣量試驗(yàn)資料。

正常情況下排氣閥應(yīng)根據(jù)排（補(bǔ)）氣量需求通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)選取。由于各企業(yè)的產(chǎn)品型式不盡相同，相同口徑的排氣閥，其空氣流量相差幾倍甚至十幾倍。所以，按照管道直徑的1/8～1/12比例選取排氣閥的方法很不科學(xué)的。有的工程設(shè)計(jì)人員只考慮在管道凸起點(diǎn)設(shè)置排氣閥，忽視了長(zhǎng)水平段管道，同樣會(huì)導(dǎo)致排補(bǔ)氣不足。

3.2輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型選型布置需要考慮的三種工況

排氣閥是保證壓力管道輸水系統(tǒng)輸水安全的極為重要的關(guān)鍵設(shè)備之一。按照系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，排氣閥的作用可以就三種情況來(lái)進(jìn)行分析：在輸水管道充水過(guò)程和停止運(yùn)行時(shí)的排水過(guò)程中，排氣閥的作用是及時(shí)排除管內(nèi)空氣，以免產(chǎn)生氣阻或隨時(shí)補(bǔ)充空氣，避免產(chǎn)生負(fù)壓。在此階段，空氣的進(jìn)入和排出是快速和大量的。

在管道正常運(yùn)行中，排氣閥的作用是排除液體中逸出的氣（汽）體。在此階段的排氣是在有壓情況下進(jìn)行的，排氣量較小且不連續(xù)，故稱(chēng)之為正常運(yùn)行過(guò)程中排出微量氣體。

在發(fā)生水力瞬變情況下，排氣閥雖然不可能緩和水錘正壓值，但卻能夠在負(fù)壓下快速補(bǔ)氣；當(dāng)發(fā)生斷電停泵、出現(xiàn)水柱拉斷彌合水錘時(shí)，排氣閥的作用就更為重要。

3.3 輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型根據(jù)工程需求合理選型

目前，歐美國(guó)家研發(fā)的排氣閥品種較多，排氣閥口徑也發(fā)展到400mm，可以滿足不同形式的管道工程需求。我國(guó)已建和在建的大直徑長(zhǎng)距離輸水管道工程中大都選用了進(jìn)口排氣閥，如南水北調(diào)京石段選用了美國(guó)GA公司排氣閥，山西*家寨引黃工程、遼寧大伙房二期供水工程選用了以色列AIRI公司的排氣閥。為了完善和發(fā)展我國(guó)的排氣閥類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)，首先應(yīng)當(dāng)制定和統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從排氣閥的基本類(lèi)型、壓力等級(jí)、口徑、材質(zhì)、安全系數(shù)、產(chǎn)品試驗(yàn)、檢驗(yàn)和售后服務(wù)等方面進(jìn)行規(guī)范，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)和給水工程協(xié)會(huì)于1996年制訂了《供水用排氣閥、空氣/真空閥和組合式排氣閥》（ANSI/AWWAC512），對(duì)排氣閥產(chǎn)品的規(guī)范產(chǎn)生了積極的影響。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工作條件和閥的功能，把排氣閥劃分為高壓微量排氣閥（小孔口閥）和低壓高速排（進(jìn)）氣閥（大孔口閥）兩類(lèi)，在此基礎(chǔ)上定義了三種基本閥型，從而理清了有關(guān)排氣閥選用的基本的概念。上述定義是針對(duì)起初的浮球式排氣閥的，該組合式閥系將小口徑高壓閥通過(guò)螺栓孔附著在較大體積的低壓閥上。后來(lái)，以色列AIRI公司發(fā)明了卷簾式高壓排氣閥，使排氣量擴(kuò)大了約十倍，但形式上依然采用附著式。近新推出的雙浮體式排氣閥，其控制高低壓排氣的大小兩個(gè)浮體設(shè)在同一個(gè)閥腔內(nèi)，從結(jié)構(gòu)上將高、低壓排進(jìn)氣功能融合到了一起，從而顛覆了“三種閥型”的概念，更方便于設(shè)計(jì)人員選擇。排氣閥又分為普通型和緩閉型兩類(lèi)。前者低壓進(jìn)排氣部分全部敞開(kāi)，排氣時(shí)不受限制；后者通過(guò)彈簧或浮碟片等緩閉（Anti-Slam）裝置，能在一定壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)空氣的排出量，這一點(diǎn)對(duì)于抑制停泵水錘非常重要。

輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型安裝說(shuō)明
1、于安裝前，請(qǐng)先檢查并清除主體內(nèi)的雜物。
2、在閥前裝一只閘閥，以便下次的安裝維修。閥如果安裝于蔭井內(nèi)，應(yīng)有足夠空間以便容3、納技術(shù)人員調(diào)整及維護(hù)工作。
4、若供水管道排氣閥安裝于室外，請(qǐng)注意閥門(mén)的保溫，以防閥門(mén)內(nèi)水結(jié)冰或凍裂閥門(mén)。
5、若排氣閥所在管線送斷水頻繁，建議在排氣閥前加裝一個(gè)緩沖閥。

4 輸水管道排氣閥設(shè)計(jì)選型結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大直徑長(zhǎng)距離輸水管道工程，不僅要通過(guò)排補(bǔ)氣量分析計(jì)算合理選擇不同功能的排氣閥，還應(yīng)通過(guò)水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算或模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以確保系統(tǒng)中排氣閥設(shè)計(jì)布置合理。在輸水管道工程設(shè)計(jì)中應(yīng)合理選擇和布置排氣閥，使其真正達(dá)到充水排氣、排水補(bǔ)氣和正常運(yùn)行過(guò)程排出微量氣體的功能、以確保輸水管道不會(huì)因排氣閥設(shè)置不當(dāng)遭受破壞。