输水管道工程排气阀选型设计探讨

1 排气阀及其特性
                                 
                              排气阀在输水管道系统中，用作管道充水时排气、排水时向管内补气和正常运行时排出管道内微量气体。其除具有容性和惯性元件的一般特性外，过阀气流的压力特性和排气阀的流量特性及排气阀上下游管道内水流特性是至关重要的。
                                  1.1 过阀气流的压力特性
                                 
                              排气阀的排气和补气过程可视为等熵流动，且气流流入和流出也有区别。对于空气这种特定气体，其滞止压力Po和临界压力Pcr都有固定值，且对于一定马赫数的气流，其压力区间也是确定的，即有Pcr/P0。对于已建成的输水管道，管道外部大气压力Pa也是已知的，且当流入排气阀时有Po=Pa，则过阀气流的压力可表示为：

                                  1.2 排气阀的流量特性
                                 
                              过阀的空气流满足等熵流动条件，空气的绝热指数k=1.4，再引入p′=p/pa，则通过排气阀气流的质量流量qm为：

                                  （）
                                  式中：ρa，Ta为大气密度和绝对温度；R，T，P为空气的气体常数，绝对温度和压力；C，A为阀的流量系数和开启面积。
                                  下标m和nt分别代表气流流入和流出排气阀。
                                  1.3 排气阀上下游管道内水流特性
                                 
                              由于排气阀的工作和空穴内空气参数变化，使气阀附近管内水流具有瞬变特性。因为瞬变流实质是非定常流动，所以用非定常流方程组[39]来描述气阀附近管内的水流特性。它的差分形式方程组[36]为：

                                     
                              式中：为t=J+1时刻I断面处的压头和流量；HJi-+BQJ+pi为t=J时刻I-1断面处的压头和流量；HJi-+QJi-HJi++QJi+为t=J时刻I+1断面处的压头和流量；D，A为管道直径和截面积；a，g为波速和重力加速度；Δx为距离步长；λ为沿程阻力系数。
                                  研究气阀附近管内水流特性时，I为气阀安装断面，则I-1为上游管断面，I+1为下游管断面。
                                  2 有压输水管道内的气体形成、运动和对系统的危害
                                  2.1 有压输水管道内的气体形成和运动
                                 
                              进入管道的气体虽然同输送液体处于相同的压强之下。但由于气、液重度差和液体表面张力的作用，气体一般会出现在管道内的制高点，这些微小气泡聚集在一起逐渐形成大气泡甚至气包。这些气包在重力和水流冲力的共同作用下，它们或分散存在于较平缓下坡（对水流而言）段管道顶部，或存在于起伏管线的管道凸起处。气包在管道内所处的位置，取决于其力的平衡条件。当气包重度差的管轴向分力同水流方向一致时，气包随水流方向前进；反之，气包则受摩擦力作用而滞留于管壁甚至逆向流动。因此上坡管道的气体较易于排出，下坡管道的气体则不易随水流排走。
                                  2.2 有压输水管道排气阀设置不当对系统的危害
                                 
                              有压输水管道在充水或排水时，要排出或吸入相同体积的气体；正常输水过程中需要排出带入管道的微量气体或因压力和温度变化析出的气体。当缺乏必要的排气设施、排气阀选型不合理、排气阀布置不当或排气阀不能正常工作时，气体就会集聚在管道系统中。这些气体在管道水流发生非正常调节工况时，如输水系统发生事故停泵、输水管道系统切换、控制阀门误操作等，轻则会影响系统正常运行，重则会使管道输水系统遭到破坏。
                                 
                              有压管道内积存气体对系统的危害是多方面的。首先会影响管道安全运行，气包实际上是处于运动和