有压密闭输水工程排气性能研究与分析

范建强

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局, 辽宁 沈阳　110166)



有压密闭输水工程排气性能研究与分析

范建强

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局, 辽宁 沈阳110166)

水体掺气运行是管线空蚀及输水效率降低的重要原因。因此，如何均匀、快速地进行管线排气尤为重要。本文依据大伙房输水工程的运行实践，阐述了排气设备的优化布设。同时，介绍了如何针对不同的管线排气规模和运行方式，建立管线初次充水时的大排气及管线正常有压输水时的小排气机理，最终计算得出所需的管线排气速度及孔口尺寸。该研究为工程排气阀的设计、选型提供了重要的依据，具有重大的工程应用价值。

有压密闭； 输水； 排气速度； 孔口尺寸

1　引　言

大伙房水库输水二期工程是解决辽宁省中南部水资源短缺问题的重大区域性水资源配置工程，工程源头位于东北山区，而沿线多处在地势平坦的东北平原，全线采用有压密闭的输水运行方式，由于输水距离长达400km，沿线共布设了1100多台空气阀进行管线的进排气卡调节。管线排气是管线防水锤、防噪的重要保障，在工程整个运行期间起着重要的作用。依据调度运行方式不同及排气规模大小，管线的排气分为大排气、小排气两种。

1.1大排气

当一项有压密闭输水工程建设完工以后到正式投运之前，须要排尽管线内部的空气，从排气规模而言，此部分排气量较大，属于管线的大排气范畴，发生于管线充水调度过程。大排气主要是利用来自上游的高水头水体或通过泵组加压送水方式，对管内空气进行加压，使管内气压高于外界的大气压，在压差驱动下，将管内空气通过工程沿线预设的排气阀排出。当工程沿线较长时，可以分段对工程沿线进行充水，自上而下进行排气。结合辽宁省大伙房水库输水工程的多年运行实践，管线充水管段的划分，除考虑沿线布设的排气设备外，还应当充分考虑沿线稳压塔的布设方位、管线起伏、管径变化、调流阀的分布情况等因素，首选调流阀作为充水调度的控制界点，完善充水管段划分。

1.2小排气

当有压密闭输水工程正式投运以后，工程沿线还应当设有小气孔的空气阀进行微量排气，此部分气体源于水体里溶解的气体。根据朗格化学手册[2]，当温度为15℃，液面大气压为标准大气压时，水体里至少可溶解2%的气体。当水体处于承压状态时，水体可携带气体的能力将得到巨大的提升。对于密闭有压输水工程而言，由于工程沿线的起伏、调流阀的调压节流、管径变化引起的流速变动等，都将会造成管段出现低压区，此时，由于水体溶气的过饱和，将会不断有气泡从水体中冒出。若工程沿线走向过于平缓，气泡将沿线均匀分布且没有在相对高点聚集，将会堵塞过流断面，造成输水能力的下降。因此输水工程在建设时应充分考虑沿线高程走向，避免平缓过渡。当溶气能够被携带时，通常会在相对高点处形成聚集，在此处布设合理的空气阀进行排气，将有效保障工程的安全运行。否则，若工程不能形成有效的排气，水气混流途径相对高压区时将会引起水击，破坏管线，产生管路噪音，引起管线腐蚀，造成沿线设备及测量仪表的故障。

2　管线排气阀的基本结构

根据管线排气规模不同，输水管线的大排气(即充水排气)，可以通过排气阀和真空吸气阀进行，主要是因为在初始状态下排气阀和真空吸气阀均是敞开的。对于排气阀而言，初始状态下可以通过孔口顺利排气，当水流进入阀体后，浮球会因为浮力而升起，并因此关闭排气口，当管线系统内的气体聚集到一定程度时，它将排开水体，在压力作用下使浮球下落，打开孔口，进行排气，而真空吸气阀则不同，真空吸气阀的初始状态虽然是开启的，可以暂时用来为管线充水排气，但水体一旦进入阀体，浮球上升将会关闭孔口，当管线压力大于大气压时，真空吸气阀也不再重新开启排气。常见的经典排气阀结构如下图所示。

经典排气阀结构

需要说明的是，由于大排气与小排气的差异，采用经典排气阀同一孔口进行排气往往不能满足工程需要。目前已陆续出现双孔排气阀体，通过优化孔口尺寸，往往可以达到更好的稳压和控制水气分离的效果。

3　管线排气阀的安装位置

根据输水管线的需要，除了在靠近水力坡度线的位置，即相对高点处应当布设排气阀外，在以下的管线部位也应当布设排气阀，如：泵站的出口、陡下坡的起点(或顶点)、缓上坡段、长上坡段、水平管段的起点、终点及沿线800m距离内至少应布设一个排气阀[2]。

4　有压管线排气计算

4.1管线充水时的大排气性能计算

管线的初次充水，管内空气的排出速度应该与管线充水的速度一致，充水应当采用平缓的速率进行，从而避免管线的波动，推荐采用0.3m/s的充水速度进行[3]。

若假定排气阀安装位置为水平面，大气压强为标准大气压，温度为15℃，输水管线初次充水时排气阀的压差约为13.8kPa，配有防冲击或者缓闭设备的阀门，充水排气压差可以达到34.5kPa。对于高海拔地区以及气温恶劣的情形，需要进行压力修正。

另外，排气阀充水排气时，不考虑热量交换，且假定排气阀孔口的泄流系数为0.7～0.8，介于绝对圆形孔和规则方形孔口之间。在此情况下，排气流量Q与充水流量q的关系为：Q=nq，其中n的取值范围为0.152～0.179。

在进行排气阀孔口直径大小选择时，不同阀门型号的生产厂家可以采用不同的泄流系数及计算方法，在已知排气流量大小及排气压的情况下，通过表1可以查询满足工程排气设计的孔口直径大小。

表1　输水管线初次充水时大孔口排气性能参数　单位：L/s

4.2管线有压输水时的小排气性能计算

除了管线投运之前需要进行充水排气之外，在管线输水运行过程中，也需要进行微量排气。

管线输水运行过程的排气，主要来自于水体的溶解气体，即小孔口排气量大致为标准条件下水体内部溶解或携带的2%的气体量。考虑到长距离输水工程沿线的高压力，在进行气体排量计算时，应当考虑气体的可压缩性以及排气过程的绝热性，即排气过程中不存在热量交换。在管线输水高压运行时，若阀体内部的气体压力超出外界压力的1.9倍，即管内气体压力达到192kPa时，将会产生临界的音速排气，即使压力继续升高，由于排速受限，也不会产生超音速排气。除此之外，当出现亚音速排气时，管线气体压力通常低于90kPa。

小排气孔口选择的计算步骤：ⓐ确定排气阀安装处对应的管线过流流量大小；ⓑ排气流量折算，为过流流量的2%；ⓒ计算排气阀处的内水压力值；ⓓ在已知排气流量及内水压力值的情况下，查询对应条件下的孔口尺寸，可参照美国水行业协会推荐设备型号表格(如表2所列)。

5　结　论

输水管线的排气特性研究是有压密闭输水工程必须解决的重要课题。良好的排气性能，应当与管线尺寸、水力参数相对应，这样才能够保障工程的运行安全。同时，在重点研究排气阀孔口尺寸的基础上，工程人员

表2　输水管线运行过程时小孔口排气性能参数　单位：L/s

还应当对排气阀在管线上的连接进口型号、阀体的承受压力极限、阀体的铸造材料、阀体构造及浮球杠杆装置等参数进行慎重选择，以提高其使用效率和寿命。

[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]曲兴辉，周林虎.大伙房水库输水(二期)工程全线调度规程[R].沈阳：辽宁省大伙房水库输水工程建设局，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