辛安泉供水工程排气阀设置探讨

李 亮

(山西省漳河水利工程建设管理局，山西 长治 046000)

随着社会的发展，水资源是保证社会经济持续增长的一大支柱，而供水工程在当今社会占有不可或缺的一席之地。由于我国大部分地区水资源在时空上分布不均，导致许多供水工程需要铺设长距离的管道来满足供水需求。采用管道供水具有沿程水资源损耗小、水质变化小、工期短、对生态环境破坏小且投资少等优势，但长距离管道中排气阀的设置是管线设计时的重点问题，如果管道排气不畅，会影响供水对象及运行单位的正常运行，并极易造成爆管，对供水对象及运行单位造成巨大的经济损失。排气阀设置的合理与否直接关系到管线是否能够安全运行，供水质量是否能得到保证。因此，通过对排气阀位置分布及口径选取进行分析可以评估供水工程运行的安全可靠性。在理论研究的基础上，本文以山西省辛安泉供水工程黎城支线为例，介绍工程实际应用中空气阀设置与理论计算设置的偏差，判断空气阀设置的合理程度。

1 管线中气体动态特性分析

1.1 管路中气体特性

长距离供水工程管路系统中所携带的气体主要来自：ⓐ事故抢修放空；ⓑ流量调节过快；ⓒ进水口淹没深度不够导致吸气；ⓓ水体中的溶解气体释放[1]；ⓔ管道未充满前管路中的气体。供水管路由于供水工况不同，水流流态复杂，在管道充水及排水时尤为明显。水流流态大致分为泡状流、团状流、环状流、段塞流、气泡流、层状流、波状流等。并且，各种流态之间会根据不同的因素相互转换，其中包括气液两相的速度、温度、黏滞性及水流充满速度等因素。在供水管路不同的工况下，水流中的气体大致呈现为自由气泡、小气囊及滞留大气团。一般情况下，管道内气体存在于以下几处：ⓐ在管径变化及管道交叉处，当水流速度较小时，气体会在接口处汇集成气囊；ⓑ管道坡顶位置，气体上行在顶端聚集；ⓒ倒坡管道处，当水流推力大于气泡浮力时，气体聚集在管壁上，并逐渐形成气囊。

因此，管道在充水过程中并不是理想状态下的水体代替气体的位置，将气体全部排出管道外，而是会存在很多不连续的气囊附着于管壁上，并且有时会随着水流在管道中移动。而这些具有弹性的气囊会对供水安全造成很大的影响。

1.2 排气阀设置的必要性

排气阀具有负压防护及运行排气等积极作用，在进行排气阀的设置与设计时必须综合考虑安设位置、口径尺寸、间距等因素，结合工程经验来看，排气阀一般布设在供水管线隆起点和长直管道位置；对于排气阀的口径尺寸和间距，当前尚不存在统一的计算方法[2]，所以只能结合工程实际与经验确定。如果空气阀设置不当，则会造成设备浪费、管线进气与排气能力不足，进而影响供水工程的运行安全。一般供水工程管道都具有口径大、距离长、多起伏、倒虹吸的特点，水流常常处在气水两态之间。由于管道内气囊占据了一定的过水断面，局部阻力系数变大，会使得管道过流面积减少，导致供水不畅，甚至阻断水流[3]。并且，空气泡的弹性是导致管道振动并引起水锤的关键因素，轻者造成承插管接口松动使管路整体压力下降、管道漏水量增大，重者造成水锤使管路甚至泵房遭受到严重破坏。此外，在输水过程中，空气泡的存在会导致水泵增加约1/10的能耗以及金属管道的腐蚀加速。

在排气阀的设计与计算过程中，一般假设管内气体始终在阀体附近聚集，但实际情况是供水管道中水体流态较为复杂，这一假设通常与实际并不相符，在无法掌握水流流态的情况下，自然很难确定排气阀的性能。在供水工程初期用水量低于设计工况，管道内水流流速相应较低，管内自由气体很可能聚集形成气囊滞留在管道内，降低管道水流输送能力，增加水流运行困难，更有甚者会引起管道爆管、供水工程结构破坏等安全事故。

2 排气阀设置间距分析

2.1 排气阀的原理及作用

复合式排气阀是基于伯努利理论制造的一种在气流推动下保持完全开启，但当阀内水面上升时，浮球能迅速浮上水面，并紧密封闭排气通道的排气阀。复合式排气阀采用特定的浮球直径，可使排气时的推力能维持浮球在气流经过时保持开启状态，而当阀内水面上升时产生的浮力又能使浮球迅速浮起。

复合式排气阀一般设置于供水管路上的相对高点及需要排气的地方，依靠排出管道中的气体来保持水流畅通，保证供水管路正常工作。如不安装排气阀或排气阀数量不够，管道随时可能出现气阻，迫使管路供水量下降。当管路在供水运行中出现停电、停泵等有可能产生水锤的紧急情况时，出现的负压会引起管道振动或爆裂，而排(吸)气阀能迅速将空气吸入管道内，避免管道振动或爆裂。排气阀在管道充水时高速排出管道中的空气保证管道内的注水通畅，管道放空时吸入空气保证管道内的排水通畅，管路正常工作时可以不断地排出进入管路的空气保证管路运行安全。

2.2 排气阀的间距设置

一般情况下，供水工程排气阀设置间距应保持在500～1000m范围内，当局部地区存在起伏的相对高点时，也应在每个高点都设置一个排气阀，同时考虑供水管道输送气体的能力，该能力与水流流速、流态及供水管线布设等因素有关。供水管道中气囊的稳定性能由重力、浮力、水流拖曳力、水流表面张力等共同决定，详见图1。

图1 供水管道中气囊受力示意图

从图1可知，供水管道中气囊在水流拖曳力及浮力的共同作用下会沿着水流方向运动，如果水流具有良好的输送气体条件，则气囊稳定性能较弱，会随水流的运动而排出管道。由于管壁粗糙度不同，所以一些气泡会滞留在管壁位置，对气囊运动也会产生一定的减缓作用。供水管道中水流的拖曳力不同，则气囊状态不同，研究结果显示，供水管道中水流流速、管径大小、管道倾斜角度等均对水流输送气体的能力有影响，仅当管道水流流速达到稳定值vc时，管道中的水流才能顺利将气体带到下游并经排气阀排出[5]。

水平与下降供水管道空气阀的间距与水流流速v和临界流速vc的取值有关，临界流速vc为水流表面张力及管道倾角α的函数，与气囊大小并无直接关系。对于特定的供水管道，如果不考虑水流张力因素，则vc与(gD)1/2成比例关系，公式如下：

(1)

式中D——供水管道内径,m；

g——重力加速度,m/s2。

在综合考虑反映供水管道水流运送气体能力的临界流速指标的基础上，可以得出供水管道空气阀间距的参考值，详见表1。

表1 供水工程排气阀设置间距参考值

3 排气阀口径分析

在供水管道充水过程中，排气阀可以将大量气体排出，防止因运动中的水流冲击气体产生巨大正压力可能造成的管道破坏，并在管道排空后快速吸气，防止负压破坏的发生。为了保证类似功能的正常发挥，必须在供水管道上安装口径合理的排气阀(一般为大口径进气阀和小口径排气阀)，在管道运行过程中，大口径进气阀应关闭，利用小口径排气阀将水流所产生的少量气体排出，而当管道排空后立即关闭小口径排气阀并同时开启大口径进气阀。可见，在供水管道充水、排水等特殊工况下对排气阀性能要求更高。

3.1 供水管道充水排气时的口径

通常情况下，供水管道充水量是管道设计流量的10%左右，充水速度不大于0.3～0.5m/s，排气阀所处环境气体的流速不大于30m/s，如果气流过大可能会引起正在工作的排气阀突然关闭，造成不利影响。根据供水管道与阀门承受水压的能力确定实际流量与流速，管道流量可以按下式进行计算：

(2)

式中QF——供水管道充水后流量，m3/s；

AP——供水管道截面面积，m2；

a——水锤速度，m/s；

ΔH——根据管道确定的水锤升压值，m。

在忽略不计空气压缩性能因素的情况下，供水管道充水流量与排气流量近似相等，即

Qout=voutAout=QF

(3)

式中Qout——排气流量,m3/s；

Aout——排气孔面积，m2；

vout——排气流速的可能值，m/s，取vout=30m/s。

根据式(3)可得大口径进空气阀充水排气时的口径公式：

(4)

式中Dout——大口径进气阀充水排气孔尺寸，m；

DP——供水管道直径，m。

3.2 供水管道放空进气时的口径

通常情况下，供水管道放空流速不超过0.3～0.6m/s，为保证工程的正常运行，必须结合管道放空时间进行泄水阀口径的设置，放空流量按下式计算：

(5)

式中QD——供水管道放空流量,m3/s；

Ag——泄水阀过水面积,m2；

ζ——泄水阀全开状态下阻力系数，取ζ=0.14；

目前人们的收入水平大大提升，而且稳定的经济环境也让很多家庭的积蓄得到大大地增加，所以年轻人的生活费用也因此得以增多。但是多数人不仅没有站在更加有利的物质环境下，实施正确、客观的经济行为，反而在很多不合理因素的影响下，做出许多不合理的消费行为。既造成了零花钱的浪费，久而久之也形成了不正确的消费心理。因此，现代年轻人作为我国未来的接班人，更要有正确的消费理念，并且具备合理、健康的消费方式，从而实现身心的健康成长。从经济影响角度看，年轻人自身的消费心理状况也对社会消费风气产生了一定影响，所以其自身要对不健康的消费心理加深认识，积极实行绿色消费模式。

Δh——阀门两侧水流压力差,m。

在管道周围空气可压缩性忽略不计的情况下，放空流量与进气流量近似相等，即

Qin=VinAin=QD

(6)

式中Qin——空气阀进气流量，m3/s；

Ain——进气阀进气孔面积，m2；

vin——进气阀所允许的进气流速,m/s，取vin=30m/s。

从而大口径进气阀进气孔尺寸应按下式计算：

(7)

式中Din——进气阀进气孔尺寸,m；

利用上述方法计算所得的供水工程进气阀口径尺寸可能比实际情况要大，为此必须结合工程实际情况及供水设备的制造与安装要求，并结合等面积原理采用若干数量小直径排气阀代替单个数量大口径排气阀，以缩小供水管道空气阀口径理论值与实际值之间的误差。

4 算例分析

4.1 工程简介

黎城支线为辛安泉供水支线工程，该工程全长26.29km，采用DN700球墨铸铁管，总扬程231.1m，由山西省长治市潞城区辛安泵站提水至黎城县黎侯镇上庄调蓄池，沿线增设西仵泵站(桩号LC16+410)。本文以西仵泵站至上庄调蓄池管线段为例进行分析。

西仵泵站后管道约长10km，平直段及下降段约3km，上升段约7km，水锤波速a=1000m/s,最高工作压力185m，允许的水锤压力按最高工作压力的1.25倍计算。管线设计流量0.5m3/s，流速为1.29m/s，坡度α=1.85%。初设阶段工程供水管线共设置19组排气阀，排气阀直径为250mm，每组1个阀门，间距约为700m。

4.2 空气阀间距的确定

本工程管线坡度α=1.85%，将其带入式(1)中可以得到临界流速vc=1.46m/s，本工程供水管道水流流速v为1.29m/s，vc>v，水流对于气体的运送能力较差，根据表1，至少需要布置14组空气阀。可见，初设阶段所确定的空气阀满足计算要求。

4.3 空气阀口径的确定

本工程拟采用缓闭型复合式高速进排气阀，该阀具备高低压下进排气的多种功能。结合式(4)和式(7)可以求得供水管道充水过程中所要求的排气口径Dout=192mm，供水管道泄水过程中所要求的进气口径Din=221mm，满足管道进排气时的要求。

5 结 论

综上所述，空气阀作为供水工程中防护水锤的辅助性措施，必须进行合理设置与设计。通常以反映管道输水能力的临界流速为参考，判断空气阀间距设置的合理程度，并根据现场管路实际纵断面进行调整。计算充水与排水工况下排(进)气阀口径尺寸必须综合考虑不同型号排气阀所允许的气流流速。总之，理论计算值与具体工况空气阀实际值之间仍然存在较大误差，必须结合工程实际，对理论值进行合理调整。