上海申弘閥門有限公司
摘要：南水北調中線工程(北京段)大型管道輸水系統惠南莊一大寧段全長約56．40 km，泵站加壓
輸水結合小流量自流，運行工況復雜，壓力變幅大。文中對長距離輸水管道空氣閥性能、運行方式、
實物性能測試等進行分析論證，以保證壓力輸水管線安全、可靠、運行。
關鍵詞：南水北調中線工程；大型輸水系統；空氣閥；性能測試；安全經濟運行
Analysis on performance and operation of air valve for large-scale water conveyance system of Mid-route
Abstract：The total length of the water conveyance system built up of alarge-·scale pipeline from Huinanzhuang to Daning is al··
most 56．40 km，which is within the Mid—route(Beijing Section)of the South—to-NoAh Water Transfer Project．Under aeompli·cated operation condition with larger pressure fluctuation，the section operates with wamr conveyance pressurized by pumping incombination with gravity flow of alower flow rate．The performance，operating mode and the actual testing of the air valve for thelong—distance water conveyance pipeline are analyzed and demonstrated herein，80 as Io ensure the safe，reliable and hi【Sh effec—tire operation of the pipeline concerned．
Key words：Mid．route of South-to—Noah Water Transfer Project；large·scale water conveyance system；air valve；performancetest；safe and economical operation
1工程概況
南水北調中線工程(北京段)惠南莊一大寧輸水干線上接惠南莊泵站，下接大寧調壓池，采用雙排4 m PCCP管，全長約56．4 km，占南水北調北京段總干渠長度的70％。主要建筑物包括輸水干管、壓力隧洞、分水口、連通井、出13閥井、排水等設施，為大口徑長距離大流量有壓輸水管道工程。泵站設計流量為60 m3／s，當流量小于20 m3／s時采用自流，管線壓力較低；當流量在20—60 m3／s范圍運行時，啟動泵站加壓輸水，揚程變幅26．52—58．20 m達2．2倍。另外，PCCP管線沿途設5處分Water Resources and 水口，不同的分流造成管線運行工況變化。管線運行工況復雜，壓力變幅大，低工作壓力僅為2 m水頭，要求空氣閥工作適應性強，要充分考慮長距離輸水管道發生破壞性水錘事故的復雜性及其特點，在輸水管道初期充水、正常運行、事故情況下能否及時排氣、補氣，對管道安全運行至關重要。為保證管路的安全穩定輸水，根據線路的地形特點，在管線縱坡起伏變化的高處，過河下置管道的上下游側，長距離南水北調中線大型輸水系統空氣閥性能與運行分析無折點上升、下降管段及長距離平直管段，布置一定數量的空氣閥。
我國水資源分布南多北少，與生產力布局不相適應。京津華北地區是我國水資源供需矛盾為突出的地區。隨著人口的增加、經濟的發展，水資源供需矛盾更加突出，并產生了嚴重的生態環境問題，不僅制約了當地經濟社會正常發展，甚至影響到國家的可持續發展戰略。因此，實施跨流域調水，向京津華北地區補充水資源已成為一項十分緊迫的任務，受到了黨和國家的高度重視和社會各界的廣泛關注。九屆全國人大四次會議批準的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十個五年計劃綱要》要求“加緊南水北調工程前期工作，‘十五’期間盡早開工建設”。為此，根據水利部統一部署，長江水利委員會組織開展了南水北調中線工程規劃修訂工作。 本次中線工程規劃修訂過程，除進行受水區的需水預測外，還針對中線工程中的一些重大技術問題開展了專題研究，編制了《漢江丹江口水庫可調水量研究》《供水調度與調蓄研究》《總干渠工程建設方案研究》《生態與環境影響研究》《綜合經濟分析》《水源工程建設方案比選》等６個專題報告。水利部南水北調規劃設計管理局于２００１年７～８月組織有關專家對這６個專題進行了評審。評審意見認為，各專題報告資料翔實，研究的技術路線正確，方法科學合理，工作深度達到了規劃階段的要求。同時，也提出了修改和補充的意見。
2空氣閥運行
(1)初期充水管道運行。充水和放空是管路運行的兩種極限狀態，合適的充水流速，可防止空氣閥關閥水錘及適當縮短空管充水時間，這種充水速度必須是可控的，以便將水擊和浪涌限制在低程度，使水流*充滿管道而沒有空氣滯留。該工程輸水管線為大口徑長距離輸水管，初期充水管道能否安全運行，其關鍵是空氣閥的大量排氣孔口要適中。針對設置的空氣閥，初期充水的流速控制參考國外文獻AwwA…， 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。管道以等于滿管流速0．3 m／s或更小的速度充水，將不會發生由水錘造成的管道破壞。為減少管內剩余空氣和避免發生水錘破壞，任何情況下充水流速不應超過0．6 m／s，充水過程中需防止高速孔口吹堵。太低流速帶不走管道存氣，不利于管道排氣，也使充水時間過長；太高的流速可能使管道充水速度大于排氣速度，造成氣堵，引起壓力震蕩。惠南莊泵站一大寧調壓池段初期充水的流速控制在以等于滿管流速0．3 m／s或更小，相當于等于滿管流量3．77 m3／s，可通過控制輸水管道末端閥門，控制空氣背壓，使其越大充水越慢，更偏于安全。全線進行分段充水，使管道順暢排氣，以保證充水速度和效率。
(2)正常運行時進排氣功能。如果管線排氣不暢造成氣堵，在管線正常運行及調節期間有可能產生破壞性水錘。當管道存氣不能排出，會產生持續不斷的壓力震蕩，一定量的氣體發生突然聚積，迅速截斷管道過水斷面，極易發生水柱中斷，產生斷流彌合水錘BJ。由于惠南莊泵站需根據總干渠來水和北京市用水需求進行流量調節，采用變頻調速變工況交替運行，空氣閥的進排氣量必須滿足管道在不同工作壓力下的運行要求，且工作可靠?；菽锨f一大寧段管道高點及較平直段各處空氣閥具有足夠的微量排氣能力，保證管線不因存氣而影響管線的輸水效率、降低輸水能力及增加水頭損失、增大水泵能耗。
(3)事故及檢修狀態。事故情況及管道檢修排水時，空氣閥的補氣量要滿足管線負壓值的限制要求。事故停電或停泵時防止斷流彌合水錘；事故及檢修放空時有足夠的高速吸氣能力，保證負壓值高于一35 kPa并允許快速放空。在管道放空時，必須大量吸入空氣以置換排出的水體，以防止產生真空和水柱分離。
(4)低壓時排氣閥工作的可靠性。惠南莊一大寧110段管線運行工況壓力變化較大，隨著該段56．4 kmPCCP管線水面線推移，低壓力設置點較多，且壓力變化，要求空氣閥在極限低壓力與正常工作壓力間工作可靠，在2 m水頭時可靠密封。
(5)冬季空氣閥正常工作條件。由于工程地處北方地區，雖然設備安裝于閥井內，一旦閥體內、連接管處結冰，空氣閥不但失去進排氣作用，還容易被凍裂損壞，因此需有可靠的防凍措施，確保在冬季低溫條件空氣閥正常工作。寒冷地區可參考如下防凍措施：
①閥井內墻采取保溫措施，如加襯保
溫板；
②閥井通氣管底部裝設自動復位拍門，正常時處于關閉位置，排氣時正向打開，吸氣時逆向打開；
③在空氣閥外部設置金屬防凍罩，在防凍罩與空氣閥之間填充保溫材料，如巖棉等保溫材料，留出排氣口使進排氣通道暢通，或直接在閥體及連接管處纏繞保溫材料；
④空氣閥安裝時盡量使部分總管和集氣腔不被混凝土包封，使總管水流與井中空氣充分進行熱交換，保持井內溫度；
⑤空氣閥結構設計上，使空氣閥在關閉時上部存留空氣，形成空氣隔層，防止密封副凍結而無法動作。
3空氣閥常見問題處理
(1)高速排氣提前吹堵。在管道初期充水過程中，高速排氣孔口被高速氣流吹堵提前關閉導致排氣不*。非動力式排氣閥的氣堵關閥壓力很低，一般為7～14 kPa，吹堵現象非常普遍，大孔口浮球或浮筒在初次充水時很容易受高速氣流沖擊而被吹堵閥口，從而使大孑L口提前失去高速排氣能力，充水很慢甚至充水失敗。而動力式高速進排氣閥∞1應用空氣動力學原理，較高的徑向速度產生低壓，產生吸拉力，且吸拉力的合力大于中心部位氣流沖擊力，氣流速度越大，吸拉力越大。通過合理的空氣動力學計算，使氣流通過空氣閥時，浮球底部的壓力小于吸拉力而不被吹堵。
(2)低壓密封問題。低壓密封不嚴造成空氣閥漏水是一個較為普遍且影響嚴重的問題，一般在2／11水頭壓力下排氣部分難于保證密封。低壓密封技術關鍵在于浮球的圓度、閥座密封面型式及合適的橡膠硬度。生產高圓度又耐高壓的浮球，采用線密封閥座，產生較高的密封比壓，明顯改善低壓密封性能，使不易老化且在管道出現負壓時能及時打開補氣。要求在20 kPa低壓下測試密封，好的低壓密封至10 kPa低壓大孔口也能密封。不銹鋼排氣閥用于管道上的高點或閉氣地方，來排除管內氣體來疏通管道使管道在工作中正常運轉。此排氣閥連接有二種（絲扣、法蘭）當系統中有空氣時，氣體聚集在排氣閥的上部，閥內氣體聚積，壓力上升，當氣體壓力大于系統壓力時，氣體會使腔內水面下降，浮筒隨水位一起下降，打開排氣口；氣體排盡后，水位上升，浮筒也隨之上升，關閉排氣口。不銹鋼單口排氣閥如擰緊閥體上的閥帽，排氣閥停止排氣，通常情況下，閥帽應該處于開啟狀態。也可以跟隔斷閥配套使用，便于排氣閥的檢修其
(3)浮球耐壓問題。浮球質量不過關，產生變形。，復雜的輸水過渡過程可能造成浮球對閥座的沖擊，浮球耐壓強度不夠將產生變形，嚴重時會破裂進水，造成密封不嚴甚至不能使用。浮球強度試驗國內標準用于小于等于1．0 MPa浮球應能承受
i>2．0 MPa的靜水壓；美國水協標準AWWA要求，不同規格的浮球強度試驗壓力應達到5．17—6．9 MPa。在項目實施過程中，根據工程的具體情況對規定浮球耐壓實測壓力值加以限制，并要求在部門進行檢驗，保證浮球耐壓質量。
(4)高壓微量排氣孔徑問題。高壓微量排氣孔口徑偏小，國內產品微量排氣孑L徑一般為1．6—4 mm，容易堵塞。排氣量與孔口直徑的平方成正比，不能適應大型管道正常運行的微量排氣要求。改善方法有增多微量排氣閥，在大閥體上預留有多余的連接口，可備用增加微量排氣閥，增加倒坡斜坡上的分叉支管，與閥體上預留多余的接口連接，提高微量排氣能力。
(5)運行過程中局部漏水。空氣閥在實際運行過程中經常發生因水中雜質、懸浮物堵塞排氣口而導致漏水或自動排氣功能喪失。巡查人員應使用小木棍沿排氣閥口四周推動浮球，使之活動，調整浮球位置使之密封，嚴重時關閉檢修蝶閥，將空氣閥拆開檢修，取出漂浮物，使浮球復位重新安裝使用。
4性能測試
近年來，我國長距離有壓輸水管線調水工程增多，但在工程運行過程中爆管現象屢有發生，結論多是管道排氣不暢引起，其主要原因是空氣閥性能與設備應達到的性能不符。因此，在項目實施初期進行實物檢測是優選并控制空氣閥性能指標的有效措施。
試驗臺模擬測試的主要內容及參數如下。
(1)主閥體強度試驗：試驗壓力為大允許工作壓力的1．5倍。在空氣閥處于充滿水在關閉狀態且進口封閉的情況下加壓，持續規定的時間，殼體不變形不滲漏。
(2)浮球強度試驗：國內標準是用于小于等于
1．0 MPa浮球應承受壓力I>2．0 MPa，美國水協標準AWWA要求不同規格的浮球強度試驗壓力應達到5．17—6．9 MPa。試驗時將浮球放入密封的試壓罐中，處于充滿水并在密閉情況下加壓至規定壓力，持續規定的時間，浮球無變形、無向內滲漏現象。本工程要求浮球耐壓≥3．0 MPa。
(3)密封性能試驗：密封試驗壓力為大允許工水利水電技術第40卷2009年第12期戚蘭英，等∥南水北調中線大型輸水系統空氣閥性能與運行分析作壓力的1．1倍，在空氣閥處于充滿水并處于關閉情況下，試驗持續規定的時間，密封面不得有泄漏。
(4)低壓密封試驗：在空氣閥處于充滿水并處于關閉情況下，向閥內加壓至20 kPa，浮球分別在3600范圍轉動不同的角度位置，在規定時間內分別測試，空氣閥應緊密關閉，密封面不得有泄漏。
(5)大孔口進、排氣量：空氣閥在各種壓力狀態下測試其排氣能力，如35 kPa、60 kPa等壓力下測量大孔口排氣能力。
(6)微量排氣量：空氣閥在0．02～1．0 MPa壓力下測試微量排氣能力。
(7)開閉閥靈活性試驗：閥門在動作過程中開閉靈活可靠，無卡阻現象。其他試驗包括：大排氣工況下起球壓力、水關閉壓力、低開閥力及低開啟負壓值，水氣相間工況是否能連續大量排氣等，通過以上試驗繪制進、排氣性能曲線。
目前國內試驗臺檢測能力有限，一般可檢測口徑DN200以下的空氣閥，且不能檢測所有項目。口徑太大，檢測存在空壓機容量、壓力罐容積、配套設施及儀器性能等問題，某些工況的性能檢測還無法實現。隨著我國大型引調水工程規劃實施，大口空氣閥的需求增加，人們對供水管道的含氣、產生氣堵、影響輸水效率、產生水錘甚至爆管等問題高度重視，要從根本上解決供水工程安全可靠、運行，國內應加大試驗臺檢測手段的技術及裝備投入。
5國內外空氣閥應用
國外對空氣閥特別是大口徑空氣閥研究起步較早，研制開發的種類繁多，并制定了相關技術標準，推動了產品的規范化，產品不斷更新，的結構型式和優良的進排氣性能，可滿足不同工程規模的需求，其中包括技術較的南非、美國、以色列、日本及德國產品。技術，制造加工工藝水平較高，但對于大口徑空氣閥的制造能力不盡相同，一般制造DN250規格以下的廠商較多，對于具有大VI徑空氣閥DN300以上產品制造能力的廠商為數不多。具有制造能力的廠商有多年生產DN300以上口徑空氣閥工程應用實例，設備性能隨工程應用得以驗證。國內空氣閥應用與國外相比存在差距，我國部分空氣閥應用存在如下問題。
(1)排氣閥不能正常排氣，形同虛設，或某些工萬方數據戚蘭英，等∥南水北調中線大型輸水系統空氣閥性能與運行分析程因密封漏水而將檢修閥關閉，空氣閥起不到排氣作用。
(2)充水速度慢。在規定的充水流速下管道排氣不暢，水流受阻，使管道充水速度大幅度降低。每次充水需要歷時數天甚至數月，效率低。
(3)管線集氣，占據輸水斷面，常年累月含氣輸水未被重視，輸水能力大幅降低，能源浪費驚人。如圖1工程示例所示水面線，正常輸水水泵加壓至90 m可將水加壓輸送至水池，但由于氣囊影響水泵高揚程達105 m，增加15 m氣阻水頭損失，且水泵不能運行在設計工況，效率降低，使能耗大大增加，嚴重時水流*阻塞。
圖1 管道氣阻影響輸水效率
(4)不重視微量排氣能力。在管線正常運行時，復合式空氣閥*靠微量排氣，某些空氣閥微量排氣孔口尺寸及其排氣能力明顯達不到實際設備能力，設備只注明高速排氣孔口的尺寸，在排氣過程中高速排氣孔口一旦關閉，有壓狀態下微量排氣孔不能發揮作用，管線上聚集的氣體無法有效排出，增加管道阻力，降低了輸水能力，增加耗能，甚至無法排氣，引
起危及工程安全的事故爆管產生。
(5)氣流吹堵問題。充水時大孑L口被高速氣流提前吹堵，管線不能充分排氣，造成運行初期管道含氣輸水，使工程的實際輸水能力與設計通水能力相差較大。
(6)產生啟泵水錘或爆管。當啟動水泵，如果管道排氣不暢，引起管道內氣囊的壓力急劇上升，根據直接水錘理論計算公式，若流速變化l m／s，水錘升壓可達近100 m水柱，如果水錘壓力足夠大，就可能發生爆管。另外，管道初期充水時，必須控制水流速度，如果排氣速度低于充水流速，管道中的氣囊就會處于被壓縮狀態，因此，控制水流速度也是降低水錘減小爆管的關鍵措施。
目前有關空氣閥規范可指導實際工程設計，具有通用性，但針對大中型輸水工程不具體，不能準確說明空氣閥的多種功能，還沒有統一的空氣閥產品標準。隨著近年大型輸水工程不斷增加，我國從國外引進許多的進排氣閥技術，并消化吸收，推動了國產空氣閥產品的科技進步，使空氣閥的技術水平不斷提高，一些企業已試制性能優良的大口徑空氣閥，但需要可靠的性能檢測及工程實際驗證。
綜上所述，國內應加大科技投入，以完善規范該類產品，制定統一的空氣閥產品標準，包括基本類型、應用條件、壓力等級、規格、部件材質、性能指標、試驗檢驗標準等，建立規范的具有性的試驗測試裝置，便于工程實施過程中選擇適用、性能優良、價格合理的產品。
6能耗估算
長距離壓力輸水管道工程在正常運行時因地形高程和外界氣候的變化，其壓力和溫度不斷變化，接近水力坡度線的局部高點水中溶解的空氣很容易釋放，一旦釋放不容易回到水溶液中，因沒有明顯的空氣來源，工程技術人員誤認為管道系統中不會有太多的空氣，忽視管中的空氣對運行的影響，只在關鍵的局部或高點安裝空氣閥，未認識到管道排氣是一個復雜的綜合性問題。對于長距離大流量有壓輸水管道工程，必須科學地選擇空氣閥的型式，合理布置，才能獲得滿意的安全經濟運行效果。
南水北調中線為大型泵站加壓輸水系統，水泵單機容量大，一旦輸水管路形成氣囊堵塞，水泵揚程可能大幅度增大，將影響輸水效率。由于年運行時間長，將消耗大量的額外能量，增加能耗。如因留存氣囊導致水泵揚程額外增加l m水頭，按單管輸水流量30 m3／s，輸水流量降低10％，即雙管共輸水54m3／s，按電費o．5形(kW·h)，逐年遞增5％計，年運行時間7 300 h，10年累計增加電費約為623kW，1年電費約227萬元，10年累計增加電費將達2855萬元。因此，由于氣堵使管道阻力增加1 m，如圖2所示累計運行費用大大增加，且對管線輸水能力產生影響，造成經濟損失。因此不能忽視管線正常運行時的微量排氣的關鍵作用，加強微量排氣能力，既對管線的安全運行起到保護作用，排出輸水管中空氣，降低水擊危險，又節省了電能，提高了輸水效率，可取得良好的經濟效益。
國家批準的《南水北調工程總體規劃》，再次對工程總體布局進行了深入研究論證，東線、中線和西線三條調水線路。 通過三條調水線路與長江、黃河、淮河和海河四大江河的相互聯通，可逐步構成以“四橫三縱”為主體的總體布局，有利于實現我國水資源南北調配、東西互濟的合理配置格局，具有重大的戰略意義。要從根本上緩解黃淮海流域、膠東地區和西北內陸河部分地區的缺水 問題，三條調水線路都需要建設。
東線工程將利用江蘇省已有的江水北調工程，逐步擴大調水規模并延長輸水線路。東線工程從長江下游揚州江都抽引長江水，利用京杭大運河及與其平行的河道逐級提水北送，并連接起調蓄作用的洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖。出東平湖后分兩路輸水：一路向北，在位山附近經隧洞穿過黃河；另一路向東，通過膠東地區輸水干線經濟南輸水到煙臺、威海。 規劃分三期實施。
中線工程將從加壩擴容后的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿規劃線路開挖渠道輸水，沿唐白河流域西側過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口后，經黃淮海平原西部邊緣在鄭州以西孤柏嘴處穿過黃河，繼續沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津。規劃分兩 期實施。
西線工程將在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫，開鑿穿過長江與黃河的分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調長江水入黃河上游。西線工程的供水目標主要是解決涉及青、甘、寧、內蒙古、陜、晉等6?。ㄗ灾螀^）黃河上中游地區和渭河關中平原的缺水問題。結合興建黃河干流上的骨干水利樞紐工程，還可以向鄰近黃河流域的甘肅河西走廊 地區供水，必要時也可相機向黃河下游補水。規劃分三期實施。
規劃的東線、中線和西線到2050年調水總規模為448億立方米，其中東線148億立方米，中線130億立方米，西線170億立方米。整個工程將根據實際情況分期實施。
7結語
針對國內空氣閥市場現狀，國家應加大科技投入，檢測技術及裝備的投入，建立規范的具有性的性能測試裝置，為工程的安全可靠提供高性能的規范化產品，從根本上解決輸水系統安全可靠、運行等問題。與本文相關的論文有：油氣改革拉升閥門行業
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客服1號