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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)排進氣裝置與虹吸利用的矛盾關系,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,采用壓力輸水 管遠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,應用虹吸原理進行輸水,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“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,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 需設排氣裝置。當虹吸形成后,高點附近壓力管道內(nèi)處于負壓狀態(tài),存在一定的真空度,此時排氣裝置應 該關閉,保證虹吸正常工作。當發(fā)生事故停泵時,高點應迅速進氣,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,但在停泵時不能進氣 破壞虹吸,易發(fā)生安全事故;若在高點安裝新型的復合式排氣閥(兼有進氣、排氣功能),那么當管道中 的虹吸形成后,管道處于負壓狀態(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、排氣裝置進行特別選擇或改造。
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真空泵排除積氣,使真空度達到規(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雜,價格昂貴,且需要電源 和設備間,管理維護麻煩,在實際應用中并不多用。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行排氣,在水流翻過高點后,虹吸管內(nèi)形成負壓時,閥自動關閉。 當機組停機時,真空破壞閥自動打開,將空氣放進虹吸管內(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,且設備都較復雜,輸水管道線路 一般選在市郊,因此不利于設備管理。采用機械式真空破壞閥,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 壓時,再手動關閉真空破壞閥,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,在管道的高點設置電磁排氣閥,和水泵運行聯(lián)動工作,以達到排氣充水 形成虹吸、進氣斷流破環(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 武漢市政工程設計研究院多次承接長距離壓力輸水工程的設計任務,這些工程多翻越丘陵高地,為了 利用虹吸水頭,達到節(jié)能降耗的目的,對解決虹吸壓力輸水管道高點進、排氣相矛盾的問題進行了深入的 研究,經(jīng)反復論證試驗,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 個相應管徑的排氣管,在管道一定高度 上設置1個等徑三通,三通的一端設置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
該排氣裝置的關鍵閥件是氣體安全閥,氣體安全閥是壓力容器重要的保護性裝置,廣泛應用于受壓容 器和管道系統(tǒng)上。當容器內(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,當容器內(nèi)部壓力恢復正常后自行關閉阻止氣體繼續(xù)排出,確保設備安全[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](另有資料認為虹吸允許真空高度可采用4?6m 水柱高,但不應大于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定在0.04?0.07MPa 范圍內(nèi)。當停泵時,高點管道內(nèi)水柱發(fā)生分離,負壓突然增大,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、排氣管管徑按照《城鎮(zhèn) 供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(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)構簡單,動作可靠,所有部件均為閥門廠常見的定型產(chǎn)品,設備價格較為便宜;最 重要的該排氣裝置安全可靠,不需要電源和其它設備就能自動開啟和關閉,大大減輕了管理維護工作量, 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,不進氣),該裝置(見圖3)的應用 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經(jīng)濟合理、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用價值。在應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為虹吸作用下的揚程,但最大揚程應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。