陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710001
摘要：复合式排气阀由进排气阀和微量排气阀组成。具有管道充水时能快速排出管道内气体、管道产生负压时又能快速进气、管线正常运行过程中集结有压微量气体通过微量排气阀排出持压工况下的有压气体的作用。从而保证输水管道的正常运行。
关键词:管道 复合式排气阀
一、概述
我国水资源贫乏且时空分布不均匀，随着经济的快速发展和用水量的急剧增加，开发建设大规模、长距离、跨流域供水工程已经成为不争的事实。这类输水系统由于距离长，管线起伏大，如果排气不畅极容易造成爆管，造成巨大的经济损失，严重的还会影响到供水系统的安全和稳定运行。因此合理的选择和布置排气阀是长距离输水至关重要的一部分。
二、管道内产生气体的原因及危害
1、管道内产生气体的原因
首先在管道安装完毕后，通水之前，管道内充满了空气；其次管道中的水因水泵工作前后压力发生较大的变化而产生气体；第三，管道系统内部水温发生变化，产生空气；第四，水在通过管道的一些管件（如三通、弯头等）、阀门等，会产生气体。
2、管道内产生气体的危害
①、由于管道内的空气泡的存在，使得管道过流面积减少，增加水头损失。在水泵输水时，会增加能耗以及运行成本。在重力流输水中，由于空气泡的存在，将直接影响输水量，甚至阻断水流。
②、由于管道内有弹性气体的存在，使得管道液体流动不平衡，会引起管道振动，管道在长期震动作用下，会导致连接处松动、漏水甚至断裂。同时造成资源和能源的浪费。
③、管道中聚集的气体会加速金属管道的腐蚀，降低了管道的强度，当管道中水的压力出现一定的幅度波动时，就很容易发生爆管。
三、复合式排气阀的工作原理
复合式排气阀内设有浮球，管道首次充水时，浮球停留在开始的位置，进排气口大量排气。
当管内空气排完时，进排气阀阀腔内开始进水，液面上升，在浮力的作用下浮球也随之上升，关闭进排气口，微量排气阀附体也上升，带动机构向上关闭微量排气口，排气阀停止排气。
当管内水正常输送时，少量气体会在排气阀上部继续聚集，当聚集到一定程度时，主浮球不会下落，微量排气阀阀腔内水位逐渐下降，浮体失去了水对它的浮力，浮体在自身的重力作用下会下落，打开微量排气口，气体向外排出。排放过程中，水位逐步上升，微量排气阀浮体上升，重新关闭排气口，排气停止，如此不断循环，实现微量排气。
当管内产生负压或水流排空时，肤浮球会随着复合式排气阀阀腔内水位的下降而下降，打开进排气口，，迅速吸入外界空气进入系统内，消除负压保护系统，以避免出现真空而破坏系统管道。
四、复合式排气阀的选择和布置
在局部最高点应安装复合式排气阀;长距离水平管段.长距离无折点下降管段宜装复合式排气阀或微量排气阀;下降坡度变大点.上升坡度变小点宜安装微量排气阀;需要真空保护时,应选用复合式排气阀;长激励无折点上升管段可选用高速排气阀/吸气阀或复合式排气阀.
排气阀设计中应注意以下问题:
1、排气阀位置的选择比口径选择更重要.
2、对于长距离输水管线,较理想的排气方法是在较短的距离内安装数量较多.口径较小的排气阀.
3、最高点两侧有不同坡度时 ,按条件苛刻的坡度确定。
4、排气阀下面应安装一个同一口径的阀门,一般为闸阀。
5、排气阀口径与管线直径之比一般为1：8～1:12。
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6、排气阀应垂直安装。
五、工程实例
以靖边能源化工综合利用产业园区供水为例，靖边能源化工综合利用产业园区位于县城东北约10km处的沙石峁林场，芦河中游以北。园区规划总控制面积40km2，启动项目占地面积6 km2。
本工程的主要任务是：从金鸡沙和白城子两个取水点向靖边能源化工综合利用产业园区的启动项目供水工程供水，年供水量2734.5万m3，其中金鸡沙年供水1234.5万m3，白城子年供水1500万m3，供水保证率95%。
金鸡沙取水点从金鸡沙水库直接取水，水源地包括金鸡沙水库及其上游的新桥、水路畔水库，三座水库联合调节。金鸡沙供水线路全长约40.887km。白城子断面取水水源地现状无工农业用水要求，仅考虑河道内生态需水要求。取水断面位于靖边县北50km处，上距内蒙古无定河巴图湾水库10km，下距内蒙张冯畔电站10km。巴图湾水库多年平均下泄水量8575万m3。白城子供水线路总长度39.71km
由于本工程供水管线长，且沿线地形起伏变化比较大，管道输送的水体中一般溶有2%左右的空气，在管道输水过程中，随着管道的起伏变化，水中的空气将会逐渐析出，聚积在管道的尖点或膝部，占据管道有效面积，减小过水断面，增加能量损耗；而当管道发生事故停泵时，在尖点或膝部处的水柱又很容易被拉断，在管道内形成负压，对管道安全产生危害，为了避免这些不得状况的产生，在管道尖点或膝部必须设置复合式排气阀。根据供水管道水力过渡分析计算，当泵站发生事故停泵时，在管道尖点处容易产生弥合水锤，同时随着水锤波的来回传播，管道流阻会逐渐降低其压力，对管道的安全危害较大，为防止弥合水锤的产生，对水锤进行分析计算。在容易产生弥合水锤的尖点处安装一种特殊的排气阀，这种排气阀当管道内水柱被拉断时，可以向管道内及时补气，防止产生负压，而当尖点两端水柱弥合，管道内的气体不能及时排出，在管道内形成一个压缩的气囊，防止两端水柱直接碰撞，可以消除弥合水锤的发生。
水力过渡计算是对整个输水管道系统进行计算分析，包括管道内节点与管道连接的泵、阀门等其他过流元件以及防护设备。在计算中，对管道节点是基于封闭管道的连续性方程和运动方程，利用特征线法将这两个偏微分方程转化成全微分方程，沿左右两条特征线进行迭代求解。当所求解的节点不是管道节点时，将节点的特征线方程与相应的边界条件联立进行求解。
防护准则为：水泵机组的倒转转速不超过1.2倍的额定转速，且超过额定转速的持续时间不超过2分钟；系统最大压力不超过工作压力的1.3～1.5倍，最大负压不超过5m。根据计算经验与工程实践，当所有工作机组同时断电时引起的水力过渡最为激烈，即最不利工况。
经水力过渡分析计算金鸡沙供水管线全长42581.285m，在最高点桩号38+772.57处设高位水池，将全管线分为前后两段，前段为压力输水管道，后段为重力自流段。在泵站后设单向调压塔，归化桩号19+554。压力输水段沿线局部高点布设复合式排气阀。
经水力过渡分析计算白城子供水管线全长39709.9m，采用二级加压，每级加压泵站后均设单向调压塔，一级泵站单向调压塔位于归化桩号3+333.14处，二级泵站单向调压塔位于归化桩号19+554处。在最高点29+554处设高位水池，将全管线分为前后2段：前段为压力输水管道，后段为重力自流段。压力输水段沿线局部高点布设复合式排气阀。
六、结语
复合式排气阀在输水管道系统中，用作管道充水时排气、排水时向管内补气和正常运行时排出管道内微量气体，是保证供水管道正常有效运行不可缺少的装置。其安装位置是否合适直接决定了其性能的发挥。在进行长距离、大流量输水管路设计时，要做到优化线路、减少存气构造，合理设置排气设备。对重要的大型输水管道设计还应进行必要的计算及相应的模拟实验。
论文作者:赵欢
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/8/1
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