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1、虹吸壓力輸水管道高點排氣裝置的探討
陳永祥
(武漢市政工程設(shè)計研究院,湖北 武漢 430015)
摘 要:論述了壓力輸水管道高點傳統(tǒng)排進(jìn)氣裝置與虹吸利用的矛盾關(guān)系,列舉了排氣裝置的解決措施,并提出了采用安全 閥的組合排氣裝置新工藝,用于實際工程,取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞:輸水管道 虹吸 排氣裝置 安全閥
1 利用虹吸的意義 隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,許多城鎮(zhèn)用水量急劇增加,對水資源的開發(fā)利用不斷加強(qiáng),采用壓力輸水 管遠(yuǎn)距離引水的城市日趨增多。
在許多地區(qū),壓力輸水管道線路較長,需跨越地形復(fù)雜的高地,沿途損失較大,泵站揚程較高,如能 在局部高點結(jié)合地形,應(yīng)用虹吸原理進(jìn)行輸水,不僅可減
2、少土方工程量、降低工程造價,還可以大大降低 水泵的輸水揚程,節(jié)能效果十分顯著,符合我國建設(shè)“節(jié)能型、環(huán)保型”社會的基本國策。
2 虹吸利用與傳統(tǒng)排進(jìn)氣裝置的矛盾 壓力輸水管道在啟動充水時,在陡坡管道上,管中水流呈柱狀推進(jìn),水面楔形,管內(nèi)氣體在柱狀水流 的推動迅速被壓縮在高點管頂處,此時應(yīng)及時排出,讓水柱順利翻過高點,迅速形成虹吸,因此管道高點 需設(shè)排氣裝置。當(dāng)虹吸形成后,高點附近壓力管道內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài),存在一定的真空度,此時排氣裝置應(yīng) 該關(guān)閉,保證虹吸正常工作。當(dāng)發(fā)生事故停泵時,高點應(yīng)迅速進(jìn)氣,破壞虹吸,起到斷流作用,避免水柱 倒流或發(fā)生彌合水錘現(xiàn)象,保證泵站和管道的安全。
有虹吸作用的壓
3、力輸水管高點若按常規(guī)安裝普通排氣閥,在啟動時能順利排氣,但在停泵時不能進(jìn)氣 破壞虹吸,易發(fā)生安全事故;若在高點安裝新型的復(fù)合式排氣閥(兼有進(jìn)氣、排氣功能),那么當(dāng)管道中 的虹吸形成后,管道處于負(fù)壓狀態(tài),自動排氣閥將自動吸入空氣,破壞虹吸形成,這樣也不能有效利用虹 吸輸水。因此,壓力管道中的真空虹吸與高點排氣問題是相沖突的,如果要讓壓力輸水管道虹吸順利工作, 就不能采用傳統(tǒng)的排氣閥,必須對高點的進(jìn)、排氣裝置進(jìn)行特別選擇或改造。
3 有虹吸作用的排氣裝置的選擇
3.1 采用真空泵 工程中常用的解決辦法就是在虹吸壓力輸水管道中的高點裝設(shè)真空泵排除積氣,使真空度達(dá)到規(guī)定數(shù) 值后再啟動水泵,使虹吸流
4、道較快地產(chǎn)生滿管。但由于真空泵全套裝置管路復(fù)雜,價格昂貴,且需要電源 和設(shè)備間,管理維護(hù)麻煩,在實際應(yīng)用中并不多用。實際運行表明,泵啟動后,只要管道排氣通暢,管道 中的水柱在短時間內(nèi)能迅速翻越高點形成虹吸。我國大型泵站江都一站雖然設(shè)置了抽真空系統(tǒng),但近 20 年沒用,在更新改造中已全部取消[1]。
3.2 采用真空破壞閥 真空破壞閥是虹吸出水流道主要的輔助設(shè)備,水泵啟動充水時,壓力管管內(nèi)水位升高,管內(nèi)空氣受壓 縮,產(chǎn)生正壓,頂開真空破壞閥閥蓋進(jìn)行排氣,在水流翻過高點后,虹吸管內(nèi)形成負(fù)壓時,閥自動關(guān)閉。 當(dāng)機(jī)組停機(jī)時,真空破壞閥自動打開,將空氣放進(jìn)虹吸管內(nèi),虹吸被破壞,管道被斷流。
真空破壞
5、閥宜安裝在大口徑輸水管道上,具有安全可靠的優(yōu)點,能起到斷流作用,在水利工程的排澇、 灌溉泵站出水管道上運用較多,但在中小口徑市政輸水管道上采用較少。
采用真空破壞閥主要有以下不利因素:真空破壞閥實現(xiàn)自動控制的方法,一般有機(jī)械式、電氣自動控 制及壓縮空氣自動控制幾大類。電控式需要電源,氣動控制式需要氣源,且設(shè)備都較復(fù)雜,輸水管道線路 一般選在市郊,因此不利于設(shè)備管理。采用機(jī)械式真空破壞閥,在管道排氣時需克服阻力頂開閥蓋,泵啟 動揚程增大,嚴(yán)重時甚至因啟動電流過載而引起電源跳閘。湖北省一些泵站,為降低水泵最大啟動揚程, 將真空破壞閥活塞上方的彈簧抽出,以降低虹吸管中自動頂開真空破壞閥的空氣壓力[
6、1],虹吸管內(nèi)形成負(fù) 壓時,再手動關(guān)閉真空破壞閥,但這樣也失去了真空閥的自控特性。
3.3 采用電磁排氣閥 根據(jù)真空破壞閥的工作特點,在管道的高點設(shè)置電磁排氣閥,和水泵運行聯(lián)動工作,以達(dá)到排氣充水 形成虹吸、進(jìn)氣斷流破環(huán)虹吸的功能。其控制原理如下:啟動水泵,電磁閥動作,打開高點排氣閥,延時 開啟一段時間,待水泵出口至高點段空氣排放完畢,電磁閥即動作,關(guān)閉高點排氣閥,形成虹吸;停泵時, 電磁閥連鎖動作,打開高點排氣閥,空氣進(jìn)入管道,破壞虹吸斷流。
電磁閥具有靈敏、可靠,作用阻力小等優(yōu)點,但缺點是需要埋設(shè)電源和PCL控制線,因此,在需翻越 野外丘陵等地的輸水管道高點設(shè)置電磁閥仍為不便。
3.
7、4 采用安全閥的組合排氣裝置 武漢市政工程設(shè)計研究院多次承接長距離壓力輸水工程的設(shè)計任務(wù),這些工程多翻越丘陵高地,為了 利用虹吸水頭,達(dá)到節(jié)能降耗的目的,對解決虹吸壓力輸水管道高點進(jìn)、排氣相矛盾的問題進(jìn)行了深入的 研究,經(jīng)反復(fù)論證試驗,從管理簡單、投資節(jié)省等因素出發(fā),發(fā)明了采用安全閥的組合排氣裝置,實踐運 行中發(fā)現(xiàn)該裝置運行效果較好。
該組合排氣裝置(見圖1)僅需在虹吸壓力輸水管高點安裝1 個相應(yīng)管徑的排氣管,在管道一定高度 上設(shè)置1個等徑三通,三通的一端設(shè)置1個與排氣管內(nèi)徑相同的止回閥(1 號止回閥),三通的另一端設(shè)置 1 個等徑止回閥(2號止回閥),并在末端串接1 個等徑全開式彈簧氣體安
8、全閥。
圖 1 組合排氣裝置示意圖
該排氣裝置的關(guān)鍵閥件是氣體安全閥,氣體安全閥是壓力容器重要的保護(hù)性裝置,廣泛應(yīng)用于受壓容 器和管道系統(tǒng)上。當(dāng)容器內(nèi)部氣體的壓力超過額定的安全值時,閥門自動打開,迅速泄放出大量的氣體, 降低容器內(nèi)部壓力,當(dāng)容器內(nèi)部壓力恢復(fù)正常后自行關(guān)閉阻止氣體繼續(xù)排出,確保設(shè)備安全[2]。
本該裝置的安全閥反向安裝,即將外部大氣壓作為高壓端,將管道內(nèi)虹吸真空作為低壓端。由于虹吸 管真空吸水高度,一般采用允許真空高度6?7m水柱高[3](另有資料認(rèn)為虹吸允許真空高度可采用4?6m 水柱高,但不應(yīng)大于7m[4])。如果允許真空高度的取值過高,管道中的壓力將大大低于液體的
9、飽和蒸氣壓, 該處液體就會大量汽化并產(chǎn)生氣泡,影響虹吸的正常運行,因此,安全閥的工作壓力可設(shè)定在0.04?0.07MPa 范圍內(nèi)。當(dāng)停泵時,高點管道內(nèi)水柱發(fā)生分離,負(fù)壓突然增大,安全閥兩端壓力差急劇升高,此時安全閥 開啟,向管道內(nèi)注入大量空氣,使虹吸破壞,起到斷流作用,避免發(fā)生彌合水錘事故。
該裝置的工作流程如圖2 所示。
圖 2 組合排氣裝置工作流程
2 號止回閥的作用主要是在水泵啟動管道排氣時,保證安全閥不被損壞。進(jìn)、排氣管管徑按照《城鎮(zhèn) 供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,宜取輸水管徑的1/8?1 /5,考慮到虹吸斷流時需短時間 吸入大量空氣,排氣管徑宜取大值。
該組
10、合排氣裝置結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠,所有部件均為閥門廠常見的定型產(chǎn)品,設(shè)備價格較為便宜;最 重要的該排氣裝置安全可靠,不需要電源和其它設(shè)備就能自動開啟和關(guān)閉,大大減輕了管理維護(hù)工作量, 適宜在中小口徑的輸水壓力管道上使用。如果組合排氣閥場地周圍環(huán)境要求較高,排氣管不能伸出過高, 或排氣時不能帶出水流時,可將1 號止回閥換為傳統(tǒng)排氣閥(只排氣,不進(jìn)氣),該裝置(見圖3)的應(yīng)用 效果將會更好。
4 工程實例
武漢市湖濱泵站DN 700壓力管道全長約2km,需翻越德勝山,在最高點可利用虹吸水頭4m,設(shè)計在 壓力管最高點采用安全閥的組合排氣裝置,排氣管徑為DN150鋼管,相同口徑的止回閥和低壓氣體安
11、全閥 均由武漢閥門廠提供安裝,泵站運行半年來的實踐證明,該裝置工作效果良好。
5 結(jié)語
在城市長距離壓力輸水管道工程中,如能利用虹吸作用,既能減少管道挖方,又能節(jié)省運營能耗,但 虹吸工況的穩(wěn)定運行和虹吸點排氣裝置的正常工作密不可分,因此排氣裝置的選擇應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理、運行管理 便捷。采用安全閥的排氣新裝置能自動運行、工藝簡單、安全可靠,無需控制和動力設(shè)備,采用的都是市 場上較為常見的閥件和材料,投資較省,因此有一定的推廣應(yīng)用價值。在應(yīng)用中需注意正確選擇泵的揚程 范圍,其工作高效段的揚程應(yīng)為虹吸作用下的揚程,但最大揚程應(yīng)滿足將水流壓過虹吸最高點,這樣在泵 啟動時最高點才能較好的自行排氣,迅速形成虹吸。