大型市政净水厂气动系统安装技术研究

摘要：目前国内市政净水厂因考虑造价、维护和运行速度等因素，经常采用气动系统对阀门进行控制。现针对西安市东北郊水厂气动系统的特点，对其安装和调试进行深度分析，为工程实际过程中存在的问题提供解决方案，解决相应的难题，对同类型工程有着一定的参考价值。

关键词：气动系统；气动蝶阀；气动翻板阀；空压机系统；紫铜管；电磁阀；减压过滤阀

中图分类号：TH412  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0077-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.021

0    引言

为满足最新GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》要求，目前国内大型市政净水厂逐步开始进行升级改造。无论是新建水厂，还是扩建和改造水厂，都需要采用大量的阀门对介质进行控制。阀门的控制主要采用电动阀门和气动阀门两大类，非重要阀门采用手动阀门进行控制。由于电动阀门造价高、运行速度慢、易过力矩等因素，相较而言气动阀门的优点更加突出。气动阀门的气源来自空压机气动系统，因此空气质量的好坏对整个气动系统有着重要作用。

1    项目概况

西安东北郊水厂采用地下水作为水源，为西安市重要的应急水源净水厂。该水厂采用曝气池+翻板滤池的净水工艺，因此现场需要采用大量气动蝶阀和气动翻板阀。笔者在该工程从事设备安装和调试管理工作，在现场对设备的安装进行全程指导，并带领团队完成单机和联动试运行调试。本文对工程实际过程中遇到的问题和解决方法进行了梳理，对同类工程的安装和调试工作有着借鉴意义，可供参考。

2    气动系统的特性

气动系统的核心为气源，优质的气源对整个气动系统有着非常重要的作用。气源质量好，无油、无水，可以延长设备的使用年限，降低维护和更换的成本。气动系统主要包括空压机、冷干机、储气罐、过滤器、疏水器、供气管道、减压过滤阀、电磁阀和气缸等，如图1所示。由于科技水平的提高，空压机及冷干机制造技术的进步，供气可以达到无油和无水状态，为气动系统的运行提供了强有力的保障。水厂气动阀门的需求压力一般为0.4～0.6 MPa，具体压力设置根据工艺控制要求和气缸特性进行。

气动系统有其优点，也有其缺点，如表1所示。

空压机作用：市政水厂主要采用螺杆式压缩机进行气体压缩，它是一种工作容积做回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内做回转运动来达到。原理就是采用波义耳定律和盖-吕萨克定律的气体定律，即P1V1/T1=P2V2/T2，压力的变化受温度和体积的影响。

冷干机（后冷却器）作用：空压机输出的压缩空气温度可达到180 ℃，故气管内温度大于室外温度，易产生冷凝水，会对气动系统产生影响，时间长久会腐蚀气缸。冷干机可将压缩空气冷却至常温以下，减少管道内冷凝水的形成，并及时通过排水口进行排放，最大限度使主供气体处于无水状态。北方水厂冬季为防止结冰需要暂停使用冷干机，可采用旁通的方式供气，必要时增加吸附式干燥器，利用化学方式进行分离，排出气态水蒸气。气缸内有润滑油的各级排气温度不应超过180 ℃[1]。

储气罐作用：可消除压力脉动，提供稳定气流；冷却压缩空气，分离排放水和油分；储存压缩空气，在空压机出现故障时可短时间保证现场用气量。

减压过滤阀作用：可以过滤大部分固态颗粒，根据气缸用气压力要求，调整输出压力。

3    设备安装施工程序和施工方法

西安东北郊水厂采用螺桿式空压机工作站系统，用作集中供气。设备安装包括气源系统、DN20不锈钢主气管道、管道支架、气源分配器、DN10紫铜管、减压过滤阀和气动阀门，如图2所示。按照水厂工程建设的顺序，先单体再做场平。场地中的气管管沟大多数都是工程施工末期才能完成，因此施工工序采用先安装气源系统和单体内气动设备，最后再焊接场平的DN20不锈钢主气管道，以最大限度保证主气管道不因施工而损坏。

3.1    气源系统安装

安装步骤如下：设备开箱检查→基础浇筑→基础验收→空压机就位→冷干机就位→储气罐就位→不锈钢气管和球阀安装→过滤器安装→冷干机和储气罐排水管安装→压力表安装→配电箱安装→电缆敷设及端接。

3.2    单体内气动设备选型及安装

东北郊水厂大部分阀门采用气动阀门对流体进行控制。气缸分为直线气缸和摆动气缸，如图3所示，直线气缸包括气动闸阀和气动翻板阀，摆动气缸主要为气动蝶阀。为确保气动阀门符合工艺设计要求，应对安装标高进行准确测量，精准计算，确定出气缸内径圆，从而正确选型。

翻板阀属于双作用气缸，其具有伸出和缩回两种状态，供气压力为0.6 MPa。双作用气缸缸径的选择计算如下：

伸出：

F0=πD2Pη/4

缩回：

F0=π（D2-d2）Pη/4

式中：F0为气缸的理论输出力；D为气缸缸径（内径）；d为活塞杆内径；P为气缸使用压力；η为气缸的负载率。

根据翻板阀的安装及控制高度，气缸活塞需要伸出1 000 mm，收回1 000 mm。1 000×2（往返）×2÷60≈66.67 mm/s。因为η=F/F0，F为气缸承受的负载（轴向负载力），根据运动速度选择负载率η，已知F、P和η，可求出D，然后查表确认气缸内径圆。市面上不同气动阀门厂家参数不尽相同，应根据选用品牌，参考其参数数据，确定最终的气缸型号。

3.3    供气管道安装

供气管道对整个气动系统起到传输压缩空气的作用。气管的安装质量要求不得漏气而且美观，空压机系统主气管采用DN20不锈钢钢管，经过气源分配器后采用DN10紫铜管至气动阀门处，如图4所示。焊接工程所采用的母材，应具有制造厂的质量证明文件，并符合国家现行标准和设计文件的规定[2]。

对于不锈钢气管应采用氩弧焊焊接和法兰进行连接，套丝连接的方法漏气概率极大且不易彻底处理。紫铜管为纯铜管，为确保安装质量和美观，应采购6 m/根直管进行烘烤、煨弯，采用专业连接件进行连接和固定。紫铜管转角处不得变形，应呈圆弧状，确保气体流量不受损失，保证阀门开启速度。不锈钢管和紫铜管安装过程中，应先根据现场设备安装情况，合理布局，科学规划，尽可能优化路径，采用水平仪打标注绿线，气管按照绿线进行安装。这样就可以保证管道安装横平竖直，观感度极高。减压过滤阀的进气方向应正确，压力表应朝向便于巡检的方向。在气源分配器下排预留一个排气口，可在吹扫过程中进行杂质和水分的放空，如图5所示。

4    设备安装要点

4.1    气源系统的合理性

空压机是压缩空气的制造者，因其内部温度高，易产生冷凝水，所以需要配置冷干机（后冷却器）。为防止冷凝水倒灌，冷干机的进气管道应低于空压机的出气管道。冷干机具备自动排气的功能，但排放一定压力的压缩气体，噪声值较高，易影响附近居民夜间休息。可通过密封接头将冷干机排水管与总排水管进行连接，噪声值将会大大降低，符合夜间低于55 dB的噪声要求。储气罐也应安装自动疏水器，定期进行排水。

4.2    管道吹扫的必要性

因为主供气管道采用DN20不锈钢钢管，在进行氩弧焊焊接过程中，虽然没有焊渣，但是管道中本身可能存在一定量的杂质。为防止杂质通过气管进入末端气缸电磁阀内造成堵塞，影响气动阀门的开启，在管道安装完成后应首先进行吹扫，吹扫应间断性进行，吹扫压力范围为0.4～0.8 MPa，流速不低于20 m/s；直至压力降至0.4 MPa时，关闭储气罐出口阀；待其压力加载至0.8 MPa时，再进行下一次吹扫。气源分配器应预留一个朝下排放的出气口，便于排出杂质和水分。在空气吹扫过程中，当目测排气无烟尘时，应在排气口设置贴白布或涂白漆的木制靶板检验，5 min内靶板上无铁锈、尘土、水分及其他杂物，即为合格。

4.3    管道安装的标准和美观程度

气动管道安装的标准化和美观程度，在很大程度上反映出安装单位的管理和技术水平。气动管道的安装难度本身就较大，所以在安装之前一定要对施工人员进行技术交底，给安装人员配备激光水平仪、三脚架、热源、弯管器和钢（卷）尺等辅助设备。在安装之前，应先规划路径，确认安装位置，再进行精准标线，安装固定支架，最后进行管道安装。采用弯管器对紫铜管进行折弯操作时，可采取先加热后折弯的方式，多次进行弯曲。切记不可一次性快速折弯，那样非常容易造成气管变形，影响气量。变形的气管段只能报废，不得使用。

4.4    设备安装和维护的合理便捷性

控制阀安装前应进行部分性能的检验[3]。在气动阀门安装时，应该考虑安装、调试、巡检和维修的便利性。阀门配套的电磁阀的进气口和控制线缆进线的方向，均要便于气管和电线管的敷设和端接。设备定位准确，才能确保气管和电线管的敷设更加合理，布局更加美观。减压过滤阀应靠近气缸就近安装，安装高度以1.5 m为佳，便于压力的调整和日后的巡检。减压过滤阀应通过支架进行固定，不得通过固定紫铜管的方式进行固定。

5    设备调试要点

5.1    空压机热备设置

空压机系统对采用气动阀门进行控制的西安东北郊水厂来说有着非常重要的作用。如果空压机气源出现问题，压力降低，则会导致水厂气动阀门无法正常工作，最终工艺全线瘫痪，直至停产。因此对于空压机系统，水厂采用两套空压机进行供气，一台正常使用，一台处于热备状态，一般1～3个月互相切换使用。例如，1号空压机加载压力设置为0.65 MPa，卸载压力设置为0.80 MPa；2号空压机加载压力设置为0.60 MPa，卸载压力设置为0.80 MPa。正常情况下，1号空压机处于工作状态，当加载压力达到0.80 MPa时，空压机停止加载；随着现场的用气，压力降至0.65 MPa时，1号空压机应开始加载，至0.80 MPa时停止加载。如果压力降至0.65 MPa时1号空压机未能加载，压力继续下降至0.60 MPa时，2號空压机则开始加载至0.80 MPa。如此工作模式可提高水厂气动系统的安全性。

5.2    气动阀门速度控制

调节阀有气关、气开两种形式，由气动执行机构的正反作用和调节阀的正反安装来决定[4]。不同的气动阀门根据工艺要求需要不同的开阀速度，根据现场调试，测试出最佳的供气压力和阀门行程时间，如表2所示。

阀门的开关速度控制对于防止水锤有着非常重要的作用。DN300初滤水排放蝶阀在对滤池进行放空过程中，因管内排放水流速达到2 m/s，快速关闭阀门非常容易造成初滤水总管发生水锤现象。工程现场已经多次遇到同类情况，解决方法有两种：

（1）将滤池初滤水排放阀的供气压力通过减压过滤阀降低至0.3 MPa，调节两位五通电磁阀上的消音器控制关阀速度。操作方法就是通过调节消音器内部的针型阀，将关阀速度降至最低，最后将消音器针型阀固定螺丝紧固。通过该方法，使得阀门关闭时间达到8 s，缓慢关闭阀门可有效避免水锤现象。

（2）将滤池初滤水排放阀的气动蝶阀更换为气动调流阀，并通过PLC AO模块输出4～20 mA信号。该电流信号可通过程序设计对输出时间进行控制，从而达到控制调流阀开关阀速度的目的。该方法同样可以防止水锤的发生，但因采用气动调流阀，造价较高。

6    结语

西安东北郊水厂气动系统的整体安装和调试工作，在上海市政总院水业公司EPC总承包管理下，严格执行设计和安装规范要求，在施工过程中进行全程技术指导和质量把控。同时在调试过程中，对气动系统每一个环节都认真分析和确认，并做详细记录，对所发现的问题及时解决。正是因为对安装过程的质量严格把控和拥有精湛的调试技术，最终水厂的气动系统安装质量一流，工作一切正常，为后续水厂并网打下了坚实的基础。

[参考文献]

[1] 风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范：GB 50275—2010[S].

[2] 工业金属管道工程施工规范：GB 50235—2010[S].

[3] 龚飞鹰，刘传君，何衍庆.控制阀实用手册[M].北京：化学工业出版社，2015.

[4] 黄文鑫.教你成为一流仪表维修工[M].北京：化学工业出版社，2019.

收稿日期：2023-02-15

作者简介：龙涛（1982—），男，陕西人，工程师，研究方向：机电设备安装与调试。