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摘要：南水北调中线工程(北京段)大型管道输水系统惠南庄一大宁段全长约56．40 km，泵站加压
输水结合小流量自流，运行工况复杂，压力变幅大。文中对长距离输水管道空气阀性能、运行方式、
实物性能测试等进行分析论证，以保证压力输水管线安全、可靠、运行。
关键词：南水北调中线工程；大型输水系统；空气阀；性能测试；安全经济运行
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工程概况
南水北调中线工程(北京段)惠南庄一大宁输水干线上接惠南庄泵站，下接大宁调压池，采用双排4 m PCCP管，全长约56．4 km，占南水北调北京段总干渠长度的70％。主要建筑物包括输水干管、压力隧洞、分水口、连通井、出13阀井、排水等设施，为大口径长距离大流量有压输水管道工程。泵站设计流量为60 m3／s，当流量小于20 m3／s时采用自流，管线压力较低；当流量在20—60 m3／s范围运行时，启动泵站加压输水，扬程变幅26．52—58．20 m达2．2倍。另外，PCCP管线沿途设5处分Water Resources and 水口，不同的分流造成管线运行工况变化。管线运行工况复杂，压力变幅大，低工作压力仅为2 m水头，要求空气阀工作适应性强，要充分考虑长距离输水管道发生破坏性水锤事故的复杂性及其特点，在输水管道初期充水、正常运行、事故情况下能否及时排气、补气，对管道安全运行至关重要。为保证管路的安全稳定输水，根据线路的地形特点，在管线纵坡起伏变化的高处，过河下置管道的上下游侧，长距离南水北调中线大型输水系统空气阀性能与运行分析无折点上升、下降管段及长距离平直管段，布置一定数量的空气阀。
我国水资源分布南多北少，与生产力布局不相适应。京津华北地区是我国水资源供需矛盾为突出的地区。随着人口的增加、经济的发展，水资源供需矛盾更加突出，并产生了严重的生态环境问题，不仅制约了当地经济社会正常发展，甚至影响到国家的可持续发展战略。因此，实施跨流域调水，向京津华北地区补充水资源已成为一项十分紧迫的任务，受到了党和国家的高度重视和社会各界的广泛关注。九届全国人大四次会议批准的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》要求“加紧南水北调工程前期工作，‘十五’期间尽早开工建设”。为此，根据水利部统一部署，长江水利委员会组织开展了南水北调中线工程规划修订工作。 本次中线工程规划修订过程，除进行受水区的需水预测外，还针对中线工程中的一些重大技术问题开展了专题研究，编制了《汉江丹江口水库可调水量研究》《供水调度与调蓄研究》《总干渠工程建设方案研究》《生态与环境影响研究》《综合经济分析》《水源工程建设方案比选》等６个专题报告。水利部南水北调规划设计管理局于２００１年７～８月组织有关专家对这６个专题进行了评审。评审意见认为，各专题报告资料翔实，研究的技术路线正确，方法科学合理，工作深度达到了规划阶段的要求。同时，也提出了修改和补充的意见。
2空气阀运行
(1)初期充水管道运行。充水和放空是管路运行的两种极限状态，合适的充水流速，可防止空气阀关阀水锤及适当缩短空管充水时间，这种充水速度必须是可控的，以便将水击和浪涌限制在低程度，使水流*充满管道而没有空气滞留。该工程输水管线为大口径长距离输水管，初期充水管道能否安全运行，其关键是空气阀的大量排气孔口要适中。针对设置的空气阀，初期充水的流速控制参考国外文献AwwA…， 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,空气减压阀,氮气减压阀,水用减压阀,自力式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。管道以等于满管流速0．3 m／s或更小的速度充水，将不会发生由水锤造成的管道破坏。为减少管内剩余空气和避免发生水锤破坏，任何情况下充水流速不应超过0．6 m／s，充水过程中需防止高速孔口吹堵。太低流速带不走管道存气，不利于管道排气，也使充水时间过长；太高的流速可能使管道充水速度大于排气速度，造成气堵，引起压力震荡。惠南庄泵站一大宁调压池段初期充水的流速控制在以等于满管流速0．3 m／s或更小，相当于等于满管流量3．77 m3／s，可通过控制输水管道末端阀门，控制空气背压，使其越大充水越慢，更偏于安全。全线进行分段充水，使管道顺畅排气，以保证充水速度和效率。
(2)正常运行时进排气功能。如果管线排气不畅造成气堵，在管线正常运行及调节期间有可能产生破坏性水锤。当管道存气不能排出，会产生持续不断的压力震荡，一定量的气体发生突然聚积，迅速截断管道过水断面，极易发生水柱中断，产生断流弥合水锤BJ。由于惠南庄泵站需根据总干渠来水和北京市用水需求进行流量调节，采用变频调速变工况交替运行，空气阀的进排气量必须满足管道在不同工作压力下的运行要求，且工作可靠。惠南庄一大宁段管道高点及较平直段各处空气阀具有足够的微量排气能力，保证管线不因存气而影响管线的输水效率、降低输水能力及增加水头损失、增大水泵能耗。
(3)事故及检修状态。事故情况及管道检修排水时，空气阀的补气量要满足管线负压值的限制要求。事故停电或停泵时防止断流弥合水锤；事故及检修放空时有足够的高速吸气能力，保证负压值高于一35 kPa并允许快速放空。在管道放空时，必须大量吸入空气以置换排出的水体，以防止产生真空和水柱分离。
(4)低压时排气阀工作的可靠性。惠南庄一大宁110段管线运行工况压力变化较大，随着该段56．4 kmPCCP管线水面线推移，低压力设置点较多，且压力变化，要求空气阀在极限低压力与正常工作压力间工作可靠，在2 m水头时可靠密封。
(5)冬季空气阀正常工作条件。由于工程地处北方地区，虽然设备安装于阀井内，一旦阀体内、连接管处结冰，空气阀不但失去进排气作用，还容易被冻裂损坏，因此需有可靠的防冻措施，确保在冬季低温条件空气阀正常工作。寒冷地区可参考如下防冻措施：
①阀井内墙采取保温措施，如加衬保
温板；
②阀井通气管底部装设自动复位拍门，正常时处于关闭位置，排气时正向打开，吸气时逆向打开；
③在空气阀外部设置金属防冻罩，在防冻罩与空气阀之间填充保温材料，如岩棉等保温材料，留出排气口使进排气通道畅通，或直接在阀体及连接管处缠绕保温材料；
④空气阀安装时尽量使部分总管和集气腔不被混凝土包封，使总管水流与井中空气充分进行热交换，保持井内温度；
⑤空气阀结构设计上，使空气阀在关闭时上部存留空气，形成空气隔层，防止密封副冻结而无法动作。
3空气阀常见问题处理
(1)高速排气提前吹堵。在管道初期充水过程中，高速排气孔口被高速气流吹堵提前关闭导致排气不*。非动力式排气阀的气堵关阀压力很低，一般为7～14 kPa，吹堵现象非常普遍，大孔口浮球或浮筒在初次充水时很容易受高速气流冲击而被吹堵阀口，从而使大孑L口提前失去高速排气能力，充水很慢甚至充水失败。而动力式高速进排气阀∞1应用空气动力学原理，较高的径向速度产生低压，产生吸拉力，且吸拉力的合力大于中心部位气流冲击力，气流速度越大，吸拉力越大。通过合理的空气动力学计算，使气流通过空气阀时，浮球底部的压力小于吸拉力而不被吹堵。
(2)低压密封问题。低压密封不严造成空气阀漏水是一个较为普遍且影响严重的问题，一般在2／11水头压力下排气部分难于保证密封。低压密封技术关键在于浮球的圆度、阀座密封面型式及合适的橡胶硬度。生产高圆度又耐高压的浮球，采用线密封阀座，产生较高的密封比压，明显改善低压密封性能，使不易老化且在管道出现负压时能及时打开补气。要求在20 kPa低压下测试密封，好的低压密封至10 kPa低压大孔口也能密封。不锈钢排气阀用于管道上的高点或闭气地方，来排除管内气体来疏通管道使管道在工作中正常运转。此排气阀连接有二种（丝扣、法兰）当系统中有空气时，气体聚集在排气阀的上部，阀内气体聚积，压力上升，当气体压力大于系统压力时，气体会使腔内水面下降，浮筒随水位一起下降，打开排气口；气体排尽后，水位上升，浮筒也随之上升，关闭排气口。不锈钢单口排气阀如拧紧阀体上的阀帽，排气阀停止排气，通常情况下，阀帽应该处于开启状态。也可以跟隔断阀配套使用，便于排气阀的检修其
(3)浮球耐压问题。浮球质量不过关，产生变形。，复杂的输水过渡过程可能造成浮球对阀座的冲击，浮球耐压强度不够将产生变形，严重时会破裂进水，造成密封不严甚至不能使用。浮球强度试验国内标准用于小于等于1．0 MPa浮球应能承受
i>2．0 MPa的静水压；美国水协标准AWWA要求，不同规格的浮球强度试验压力应达到5．17—6．9 MPa。在项目实施过程中，根据工程的具体情况对规定浮球耐压实测压力值加以限制，并要求在部门进行检验，保证浮球耐压质量。
(4)高压微量排气孔径问题。高压微量排气孔口径偏小，国内产品微量排气孑L径一般为1．6—4 mm，容易堵塞。排气量与孔口直径的平方成正比，不能适应大型管道正常运行的微量排气要求。改善方法有增多微量排气阀，在大阀体上预留有多余的连接口，可备用增加微量排气阀，增加倒坡斜坡上的分叉支管，与阀体上预留多余的接口连接，提高微量排气能力。
(5)运行过程中局部漏水。空气阀在实际运行过程中经常发生因水中杂质、悬浮物堵塞排气口而导致漏水或自动排气功能丧失。巡查人员应使用小木棍沿排气阀口四周推动浮球，使之活动，调整浮球位置使之密封，严重时关闭检修蝶阀，将空气阀拆开检修，取出漂浮物，使浮球复位重新安装使用。
4性能测试
近年来，我国长距离有压输水管线调水工程增多，但在工程运行过程中爆管现象屡有发生，结论多是管道排气不畅引起，其主要原因是空气阀性能与设备应达到的性能不符。因此，在项目实施初期进行实物检测是优选并控制空气阀性能指标的有效措施。
试验台模拟测试的主要内容及参数如下。
(1)主阀体强度试验：试验压力为大允许工作压力的1．5倍。在空气阀处于充满水在关闭状态且进口封闭的情况下加压，持续规定的时间，壳体不变形不渗漏。
(2)浮球强度试验：国内标准是用于小于等于
1．0 MPa浮球应承受压力I>2．0 MPa，美国水协标准AWWA要求不同规格的浮球强度试验压力应达到5．17—6．9 MPa。试验时将浮球放入密封的试压罐中，处于充满水并在密闭情况下加压至规定压力，持续规定的时间，浮球无变形、无向内渗漏现象。本工程要求浮球耐压≥3．0 MPa。
(3)密封性能试验：密封试验压力为大允许工水利水电技术第40卷2009年第12期戚兰英，等∥南水北调中线大型输水系统空气阀性能与运行分析作压力的1．1倍，在空气阀处于充满水并处于关闭情况下，试验持续规定的时间，密封面不得有泄漏。
(4)低压密封试验：在空气阀处于充满水并处于关闭情况下，向阀内加压至20 kPa，浮球分别在3600范围转动不同的角度位置，在规定时间内分别测试，空气阀应紧密关闭，密封面不得有泄漏。
(5)大孔口进、排气量：空气阀在各种压力状态下测试其排气能力，如35 kPa、60 kPa等压力下测量大孔口排气能力。
(6)微量排气量：空气阀在0．02～1．0 MPa压力下测试微量排气能力。
(7)开闭阀灵活性试验：阀门在动作过程中开闭灵活可靠，无卡阻现象。其他试验包括：大排气工况下起球压力、水关闭压力、低开阀力及低开启负压值，水气相间工况是否能连续大量排气等，通过以上试验绘制进、排气性能曲线。
目前国内试验台检测能力有限，一般可检测口径DN200以下的空气阀，且不能检测所有项目。口径太大，检测存在空压机容量、压力罐容积、配套设施及仪器性能等问题，某些工况的性能检测还无法实现。随着我国大型引调水工程规划实施，大口空气阀的需求增加，人们对供水管道的含气、产生气堵、影响输水效率、产生水锤甚至爆管等问题高度重视，要从根本上解决供水工程安全可靠、运行，国内应加大试验台检测手段的技术及装备投入。
5国内外空气阀应用
国外对空气阀特别是大口径空气阀研究起步较早，研制开发的种类繁多，并制定了相关技术标准，推动了产品的规范化，产品不断更新，的结构型式和优良的进排气性能，可满足不同工程规模的需求，其中包括技术较的南非、美国、以色列、日本及德国产品。技术，制造加工工艺水平较高，但对于大口径空气阀的制造能力不尽相同，一般制造DN250规格以下的厂商较多，对于具有大VI径空气阀DN300以上产品制造能力的厂商为数不多。具有制造能力的厂商有多年生产DN300以上口径空气阀工程应用实例，设备性能随工程应用得以验证。国内空气阀应用与国外相比存在差距，我国部分空气阀应用存在如下问题。
(1)排气阀不能正常排气，形同虚设，或某些工万方数据戚兰英，等∥南水北调中线大型输水系统空气阀性能与运行分析程因密封漏水而将检修阀关闭，空气阀起不到排气作用。
(2)充水速度慢。在规定的充水流速下管道排气不畅，水流受阻，使管道充水速度大幅度降低。每次充水需要历时数天甚至数月，效率低。
(3)管线集气，占据输水断面，常年累月含气输水未被重视，输水能力大幅降低，能源浪费惊人。如图1工程示例所示水面线，正常输水水泵加压至90 m可将水加压输送至水池，但由于气囊影响水泵高扬程达105 m，增加15 m气阻水头损失，且水泵不能运行在设计工况，效率降低，使能耗大大增加，严重时水流*阻塞。
图1 管道气阻影响输水效率
(4)不重视微量排气能力。在管线正常运行时，复合式空气阀*靠微量排气，某些空气阀微量排气孔口尺寸及其排气能力明显达不到实际设备能力，设备只注明高速排气孔口的尺寸，在排气过程中高速排气孔口一旦关闭，有压状态下微量排气孔不能发挥作用，管线上聚集的气体无法有效排出，增加管道阻力，降低了输水能力，增加耗能，甚至无法排气，引
起危及工程安全的事故爆管产生。
(5)气流吹堵问题。充水时大孑L口被高速气流提前吹堵，管线不能充分排气，造成运行初期管道含气输水，使工程的实际输水能力与设计通水能力相差较大。
(6)产生启泵水锤或爆管。当启动水泵，如果管道排气不畅，引起管道内气囊的压力急剧上升，根据直接水锤理论计算公式，若流速变化l m／s，水锤升压可达近100 m水柱，如果水锤压力足够大，就可能发生爆管。另外，管道初期充水时，必须控制水流速度，如果排气速度低于充水流速，管道中的气囊就会处于被压缩状态，因此，控制水流速度也是降低水锤减小爆管的关键措施。
目前有关空气阀规范可指导实际工程设计，具有通用性，但针对大中型输水工程不具体，不能准确说明空气阀的多种功能，还没有统一的空气阀产品标准。随着近年大型输水工程不断增加，我国从国外引进许多的进排气阀技术，并消化吸收，推动了国产空气阀产品的科技进步，使空气阀的技术水平不断提高，一些企业已试制性能优良的大口径空气阀，但需要可靠的性能检测及工程实际验证。
综上所述，国内应加大科技投入，以完善规范该类产品，制定统一的空气阀产品标准，包括基本类型、应用条件、压力等级、规格、部件材质、性能指标、试验检验标准等，建立规范的具有性的试验测试装置，便于工程实施过程中选择适用、性能优良、价格合理的产品。
6能耗估算
长距离压力输水管道工程在正常运行时因地形高程和外界气候的变化，其压力和温度不断变化，接近水力坡度线的局部高点水中溶解的空气很容易释放，一旦释放不容易回到水溶液中，因没有明显的空气来源，工程技术人员误认为管道系统中不会有太多的空气，忽视管中的空气对运行的影响，只在关键的局部或高点安装空气阀，未认识到管道排气是一个复杂的综合性问题。对于长距离大流量有压输水管道工程，必须科学地选择空气阀的型式，合理布置，才能获得满意的安全经济运行效果。
南水北调中线为大型泵站加压输水系统，水泵单机容量大，一旦输水管路形成气囊堵塞，水泵扬程可能大幅度增大，将影响输水效率。由于年运行时间长，将消耗大量的额外能量，增加能耗。如因留存气囊导致水泵扬程额外增加l m水头，按单管输水流量30 m3／s，输水流量降低10％，即双管共输水54m3／s，按电费o．5形(kW·h)，逐年递增5％计，年运行时间7 300 h，10年累计增加电费约为623kW，1年电费约227万元，10年累计增加电费将达2855万元。因此，由于气堵使管道阻力增加1 m，如图2所示累计运行费用大大增加，且对管线输水能力产生影响，造成经济损失。因此不能忽视管线正常运行时的微量排气的关键作用，加强微量排气能力，既对管线的安全运行起到保护作用，排出输水管中空气，降低水击危险，又节省了电能，提高了输水效率，可取得良好的经济效益。
国家批准的《南水北调工程总体规划》，再次对工程总体布局进行了深入研究论证，东线、中线和西线三条调水线路。 通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的相互联通，可逐步构成以“四横三纵”为主体的总体布局，有利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局，具有重大的战略意义。要从根本上缓解黄淮海流域、胶东地区和西北内陆河部分地区的缺水 问题，三条调水线路都需要建设。
东线工程将利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线路。东线工程从长江下游扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。 规划分三期实施。
中线工程将从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿规划线路开挖渠道输水，沿唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。规划分两 期实施。
西线工程将在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标主要是解决涉及青、甘、宁、内蒙古、陕、晋等6省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。结合兴建黄河干流上的骨干水利枢纽工程，还可以向邻近黄河流域的甘肃河西走廊 地区供水，必要时也可相机向黄河下游补水。规划分三期实施。
规划的东线、中线和西线到2050年调水总规模为448亿立方米，其中东线148亿立方米，中线130亿立方米，西线170亿立方米。整个工程将根据实际情况分期实施。
7结语
针对国内空气阀市场现状，国家应加大科技投入，检测技术及装备的投入，建立规范的具有性的性能测试装置，为工程的安全可靠提供高性能的规范化产品，从根本上解决输水系统安全可靠、运行等问题。与本文相关的论文有：油气改革拉升阀门行业
参考文献：
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客服1号