虹吸輸水高點(diǎn)排氣裝置的探討

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1、虹吸壓力輸水管道高點(diǎn)排氣裝置的探討 陳永祥 （武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430015） 摘 要：論述了壓力輸水管道高點(diǎn)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(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，許多城鎮(zhèn)用水量急劇增加，對(duì)水資源的開(kāi)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(zhǎng)，需跨越地形復(fù)雜的高地，沿途損失較大，泵站揚(yáng)程較高，如能 在局部高點(diǎn)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(jià)，還可以大大降低 水泵的輸水揚(yáng)程，節(jié)能效果十分顯著，符合我國(guó)建設(shè)“節(jié)能型、環(huán)保型”社會(huì)的基本國(guó)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(dòng)充水時(shí)，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(dòng)迅速被壓縮在高點(diǎn)管頂處，此時(shí)應(yīng)及時(shí)排出，讓水柱順利翻過(guò)高點(diǎn)，迅速形成虹吸，因此管道高點(diǎn) 需設(shè)排氣裝置。當(dāng)虹吸形成后，高點(diǎn)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(shí)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(shí)，高點(diǎn)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(diǎn)若按常規(guī)安裝普通排氣閥，在啟動(dòng)時(shí)能順利排氣，但在停泵時(shí)不能進(jìn)氣 破壞虹吸，易發(fā)生安全事故；若在高點(diǎn)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(dòng)排氣閥將自動(dòng)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(diǎn)排氣問(wèn)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(duì)高點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(jià)格昂貴，且需要電源 和設(shè)備間，管理維護(hù)麻煩，在實(shí)際應(yīng)用中并不多用。實(shí)際運(yùn)行表明，泵啟動(dòng)后，只要管道排氣通暢，管道 中的水柱在短時(shí)間內(nèi)能迅速翻越高點(diǎn)形成虹吸。我國(guó)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(méi)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(dòng)充水時(shí)，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(kāi)真空破壞閥閥蓋進(jìn)行排氣，在水流翻過(guò)高點(diǎn)后，虹吸管內(nèi)形成負(fù)壓時(shí)，閥自動(dòng)關(guān)閉。 當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，真空破壞閥自動(dòng)打開(kāi)，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(diǎn)，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(yùn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的方法，一般有機(jī)械式、電氣自動(dòng)控 制及壓縮空氣自動(dòng)控制幾大類。電控式需要電源，氣動(dòng)控制式需要?dú)庠?，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(shí)需克服阻力頂開(kāi)閥蓋，泵啟 動(dòng)揚(yáng)程增大，嚴(yán)重時(shí)甚至因啟動(dòng)電流過(guò)載而引起電源跳閘。湖北省一些泵站，為降低水泵最大啟動(dòng)揚(yáng)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(dòng)頂開(kāi)真空破壞閥的空氣壓力［

6、1］，虹吸管內(nèi)形成負(fù) 壓時(shí)，再手動(dòng)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(diǎn)，在管道的高點(diǎn)設(shè)置電磁排氣閥，和水泵運(yùn)行聯(lián)動(dòng)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：?jiǎn)?dòng)水泵，電磁閥動(dòng)作，打開(kāi)高點(diǎn)排氣閥，延時(shí) 開(kāi)啟一段時(shí)間，待水泵出口至高點(diǎn)段空氣排放完畢，電磁閥即動(dòng)作，關(guān)閉高點(diǎn)排氣閥，形成虹吸；停泵時(shí)， 電磁閥連鎖動(dòng)作，打開(kāi)高點(diǎn)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(diǎn)，但缺點(diǎn)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(diǎn)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(jì)研究院多次承接長(zhǎng)距離壓力輸水工程的設(shè)計(jì)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(duì)解決虹吸壓力輸水管道高點(diǎn)進(jìn)、排氣相矛盾的問(wèn)題進(jìn)行了深入的 研究，經(jīng)反復(fù)論證試驗(yàn)，從管理簡(jiǎn)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(shí)踐運(yùn) 行中發(fā)現(xiàn)該裝置運(yùn)行效果較好。 該組合排氣裝置（見(jiàn)圖1）僅需在虹吸壓力輸水管高點(diǎn)安裝1 個(gè)相應(yīng)管徑的排氣管，在管道一定高度 上設(shè)置1個(gè)等徑三通，三通的一端設(shè)置1個(gè)與排氣管內(nèi)徑相同的止回閥（1 號(hào)止回閥），三通的另一端設(shè)置 1 個(gè)等徑止回閥（2號(hào)止回閥），并在末端串接1 個(gè)等徑全開(kāi)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(guò)額定的安全值時(shí)，閥門自動(dòng)打開(kāi)，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(guò)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(huì)大量汽化并產(chǎn)生氣泡，影響虹吸的正常運(yùn)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(shí)，高點(diǎn)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(shí)安全閥 開(kāi)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(hào)止回閥的作用主要是在水泵啟動(dòng)管道排氣時(shí)，保證安全閥不被損壞。進(jìn)、排氣管管徑按照《城鎮(zhèn) 供水長(zhǎng)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(shí)需短時(shí)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(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，所有部件均為閥門廠常見(jiàn)的定型產(chǎn)品，設(shè)備價(jià)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(dòng)開(kāi)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(chǎng)地周圍環(huán)境要求較高，排氣管不能伸出過(guò)高， 或排氣時(shí)不能帶出水流時(shí)，可將1 號(hào)止回閥換為傳統(tǒng)排氣閥（只排氣，不進(jìn)氣），該裝置（見(jiàn)圖3）的應(yīng)用 效果將會(huì)更好。 4 工程實(shí)例 武漢市湖濱泵站DN 700壓力管道全長(zhǎng)約2km,需翻越德勝山，在最高點(diǎn)可利用虹吸水頭4m,設(shè)計(jì)在 壓力管最高點(diǎn)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(yùn)行半年來(lái)的實(shí)踐證明，該裝置工作效果良好。 5 結(jié)語(yǔ) 在城市長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)能耗，但 虹吸工況的穩(wěn)定運(yùn)行和虹吸點(diǎn)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(yùn)行管理 便捷。采用安全閥的排氣新裝置能自動(dòng)運(yùn)行、工藝簡(jiǎn)單、安全可靠，無(wú)需控制和動(dòng)力設(shè)備，采用的都是市 場(chǎng)上較為常見(jiàn)的閥件和材料，投資較省，因此有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。在應(yīng)用中需注意正確選擇泵的揚(yáng)程 范圍，其工作高效段的揚(yáng)程應(yīng)為虹吸作用下的揚(yáng)程，但最大揚(yáng)程應(yīng)滿足將水流壓過(guò)虹吸最高點(diǎn)，這樣在泵 啟動(dòng)時(shí)最高點(diǎn)才能較好的自行排氣，迅速形成虹吸。