大型市政凈水廠氣動(dòng)系統(tǒng)安裝技術(shù)研究

摘要：目前國(guó)內(nèi)市政凈水廠因考慮造價(jià)、維護(hù)和運(yùn)行速度等因素，經(jīng)常采用氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)閥門進(jìn)行控制。現(xiàn)針對(duì)西安市東北郊水廠氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)其安裝和調(diào)試進(jìn)行深度分析，為工程實(shí)際過程中存在的問題提供解決方案，解決相應(yīng)的難題，對(duì)同類型工程有著一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)系統(tǒng)；氣動(dòng)蝶閥；氣動(dòng)翻板閥；空壓機(jī)系統(tǒng)；紫銅管；電磁閥；減壓過濾閥

中圖分類號(hào)：TH412? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0077-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.021

0? ? 引言

為滿足最新GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，目前國(guó)內(nèi)大型市政凈水廠逐步開始進(jìn)行升級(jí)改造。無論是新建水廠，還是擴(kuò)建和改造水廠，都需要采用大量的閥門對(duì)介質(zhì)進(jìn)行控制。閥門的控制主要采用電動(dòng)閥門和氣動(dòng)閥門兩大類，非重要閥門采用手動(dòng)閥門進(jìn)行控制。由于電動(dòng)閥門造價(jià)高、運(yùn)行速度慢、易過力矩等因素，相較而言氣動(dòng)閥門的優(yōu)點(diǎn)更加突出。氣動(dòng)閥門的氣源來自空壓機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)，因此空氣質(zhì)量的好壞對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)有著重要作用。

1? ? 項(xiàng)目概況

西安東北郊水廠采用地下水作為水源，為西安市重要的應(yīng)急水源凈水廠。該水廠采用曝氣池+翻板濾池的凈水工藝，因此現(xiàn)場(chǎng)需要采用大量氣動(dòng)蝶閥和氣動(dòng)翻板閥。筆者在該工程從事設(shè)備安裝和調(diào)試管理工作，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的安裝進(jìn)行全程指導(dǎo)，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成單機(jī)和聯(lián)動(dòng)試運(yùn)行調(diào)試。本文對(duì)工程實(shí)際過程中遇到的問題和解決方法進(jìn)行了梳理，對(duì)同類工程的安裝和調(diào)試工作有著借鑒意義，可供參考。

2? ? 氣動(dòng)系統(tǒng)的特性

氣動(dòng)系統(tǒng)的核心為氣源，優(yōu)質(zhì)的氣源對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)有著非常重要的作用。氣源質(zhì)量好，無油、無水，可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限，降低維護(hù)和更換的成本。氣動(dòng)系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過濾器、疏水器、供氣管道、減壓過濾閥、電磁閥和氣缸等，如圖1所示。由于科技水平的提高，空壓機(jī)及冷干機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，供氣可以達(dá)到無油和無水狀態(tài)，為氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。水廠氣動(dòng)閥門的需求壓力一般為0.4～0.6 MPa，具體壓力設(shè)置根據(jù)工藝控制要求和氣缸特性進(jìn)行。

氣動(dòng)系統(tǒng)有其優(yōu)點(diǎn)，也有其缺點(diǎn)，如表1所示。

空壓機(jī)作用：市政水廠主要采用螺桿式壓縮機(jī)進(jìn)行氣體壓縮，它是一種工作容積做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實(shí)現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機(jī)的一對(duì)轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來達(dá)到。原理就是采用波義耳定律和蓋-呂薩克定律的氣體定律，即P1V1/T1=P2V2/T2，壓力的變化受溫度和體積的影響。

冷干機(jī)（后冷卻器）作用：空壓機(jī)輸出的壓縮空氣溫度可達(dá)到180 ℃，故氣管內(nèi)溫度大于室外溫度，易產(chǎn)生冷凝水，會(huì)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，時(shí)間長(zhǎng)久會(huì)腐蝕氣缸。冷干機(jī)可將壓縮空氣冷卻至常溫以下，減少管道內(nèi)冷凝水的形成，并及時(shí)通過排水口進(jìn)行排放，最大限度使主供氣體處于無水狀態(tài)。北方水廠冬季為防止結(jié)冰需要暫停使用冷干機(jī)，可采用旁通的方式供氣，必要時(shí)增加吸附式干燥器，利用化學(xué)方式進(jìn)行分離，排出氣態(tài)水蒸氣。氣缸內(nèi)有潤(rùn)滑油的各級(jí)排氣溫度不應(yīng)超過180 ℃[1]。

儲(chǔ)氣罐作用：可消除壓力脈動(dòng)，提供穩(wěn)定氣流；冷卻壓縮空氣，分離排放水和油分；儲(chǔ)存壓縮空氣，在空壓機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可短時(shí)間保證現(xiàn)場(chǎng)用氣量。

減壓過濾閥作用：可以過濾大部分固態(tài)顆粒，根據(jù)氣缸用氣壓力要求，調(diào)整輸出壓力。

3? ? 設(shè)備安裝施工程序和施工方法

西安東北郊水廠采用螺桿式空壓機(jī)工作站系統(tǒng)，用作集中供氣。設(shè)備安裝包括氣源系統(tǒng)、DN20不銹鋼主氣管道、管道支架、氣源分配器、DN10紫銅管、減壓過濾閥和氣動(dòng)閥門，如圖2所示。按照水廠工程建設(shè)的順序，先單體再做場(chǎng)平。場(chǎng)地中的氣管管溝大多數(shù)都是工程施工末期才能完成，因此施工工序采用先安裝氣源系統(tǒng)和單體內(nèi)氣動(dòng)設(shè)備，最后再焊接場(chǎng)平的DN20不銹鋼主氣管道，以最大限度保證主氣管道不因施工而損壞。

3.1? ? 氣源系統(tǒng)安裝

安裝步驟如下：設(shè)備開箱檢查→基礎(chǔ)澆筑→基礎(chǔ)驗(yàn)收→空壓機(jī)就位→冷干機(jī)就位→儲(chǔ)氣罐就位→不銹鋼氣管和球閥安裝→過濾器安裝→冷干機(jī)和儲(chǔ)氣罐排水管安裝→壓力表安裝→配電箱安裝→電纜敷設(shè)及端接。

3.2? ? 單體內(nèi)氣動(dòng)設(shè)備選型及安裝

東北郊水廠大部分閥門采用氣動(dòng)閥門對(duì)流體進(jìn)行控制。氣缸分為直線氣缸和擺動(dòng)氣缸，如圖3所示，直線氣缸包括氣動(dòng)閘閥和氣動(dòng)翻板閥，擺動(dòng)氣缸主要為氣動(dòng)蝶閥。為確保氣動(dòng)閥門符合工藝設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)安裝標(biāo)高進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，精準(zhǔn)計(jì)算，確定出氣缸內(nèi)徑圓，從而正確選型。

翻板閥屬于雙作用氣缸，其具有伸出和縮回兩種狀態(tài)，供氣壓力為0.6 MPa。雙作用氣缸缸徑的選擇計(jì)算如下：

伸出：

F0=πD2Pη/4

縮回：

F0=π（D2-d2）Pη/4

式中：F0為氣缸的理論輸出力；D為氣缸缸徑（內(nèi)徑）；d為活塞桿內(nèi)徑；P為氣缸使用壓力；η為氣缸的負(fù)載率。

根據(jù)翻板閥的安裝及控制高度，氣缸活塞需要伸出1 000 mm，收回1 000 mm。1 000×2（往返）×2÷60≈66.67 mm/s。因?yàn)棣?F/F0，F(xiàn)為氣缸承受的負(fù)載（軸向負(fù)載力），根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度選擇負(fù)載率η，已知F、P和η，可求出D，然后查表確認(rèn)氣缸內(nèi)徑圓。市面上不同氣動(dòng)閥門廠家參數(shù)不盡相同，應(yīng)根據(jù)選用品牌，參考其參數(shù)數(shù)據(jù)，確定最終的氣缸型號(hào)。

3.3? ? 供氣管道安裝

供氣管道對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)起到傳輸壓縮空氣的作用。氣管的安裝質(zhì)量要求不得漏氣而且美觀，空壓機(jī)系統(tǒng)主氣管采用DN20不銹鋼鋼管，經(jīng)過氣源分配器后采用DN10紫銅管至氣動(dòng)閥門處，如圖4所示。焊接工程所采用的母材，應(yīng)具有制造廠的質(zhì)量證明文件，并符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件的規(guī)定[2]。

對(duì)于不銹鋼氣管應(yīng)采用氬弧焊焊接和法蘭進(jìn)行連接，套絲連接的方法漏氣概率極大且不易徹底處理。紫銅管為純銅管，為確保安裝質(zhì)量和美觀，應(yīng)采購6 m/根直管進(jìn)行烘烤、煨彎，采用專業(yè)連接件進(jìn)行連接和固定。紫銅管轉(zhuǎn)角處不得變形，應(yīng)呈圓弧狀，確保氣體流量不受損失，保證閥門開啟速度。不銹鋼管和紫銅管安裝過程中，應(yīng)先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝情況，合理布局，科學(xué)規(guī)劃，盡可能優(yōu)化路徑，采用水平儀打標(biāo)注綠線，氣管按照綠線進(jìn)行安裝。這樣就可以保證管道安裝橫平豎直，觀感度極高。減壓過濾閥的進(jìn)氣方向應(yīng)正確，壓力表應(yīng)朝向便于巡檢的方向。在氣源分配器下排預(yù)留一個(gè)排氣口，可在吹掃過程中進(jìn)行雜質(zhì)和水分的放空，如圖5所示。

4? ? 設(shè)備安裝要點(diǎn)

4.1? ? 氣源系統(tǒng)的合理性

空壓機(jī)是壓縮空氣的制造者，因其內(nèi)部溫度高，易產(chǎn)生冷凝水，所以需要配置冷干機(jī)（后冷卻器）。為防止冷凝水倒灌，冷干機(jī)的進(jìn)氣管道應(yīng)低于空壓機(jī)的出氣管道。冷干機(jī)具備自動(dòng)排氣的功能，但排放一定壓力的壓縮氣體，噪聲值較高，易影響附近居民夜間休息。可通過密封接頭將冷干機(jī)排水管與總排水管進(jìn)行連接，噪聲值將會(huì)大大降低，符合夜間低于55 dB的噪聲要求。儲(chǔ)氣罐也應(yīng)安裝自動(dòng)疏水器，定期進(jìn)行排水。

4.2? ? 管道吹掃的必要性

因?yàn)橹鞴夤艿啦捎肈N20不銹鋼鋼管，在進(jìn)行氬弧焊焊接過程中，雖然沒有焊渣，但是管道中本身可能存在一定量的雜質(zhì)。為防止雜質(zhì)通過氣管進(jìn)入末端氣缸電磁閥內(nèi)造成堵塞，影響氣動(dòng)閥門的開啟，在管道安裝完成后應(yīng)首先進(jìn)行吹掃，吹掃應(yīng)間斷性進(jìn)行，吹掃壓力范圍為0.4～0.8 MPa，流速不低于20 m/s；直至壓力降至0.4 MPa時(shí)，關(guān)閉儲(chǔ)氣罐出口閥；待其壓力加載至0.8 MPa時(shí)，再進(jìn)行下一次吹掃。氣源分配器應(yīng)預(yù)留一個(gè)朝下排放的出氣口，便于排出雜質(zhì)和水分。在空氣吹掃過程中，當(dāng)目測(cè)排氣無煙塵時(shí)，應(yīng)在排氣口設(shè)置貼白布或涂白漆的木制靶板檢驗(yàn)，5 min內(nèi)靶板上無鐵銹、塵土、水分及其他雜物，即為合格。

4.3? ? 管道安裝的標(biāo)準(zhǔn)和美觀程度

氣動(dòng)管道安裝的標(biāo)準(zhǔn)化和美觀程度，在很大程度上反映出安裝單位的管理和技術(shù)水平。氣動(dòng)管道的安裝難度本身就較大，所以在安裝之前一定要對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，給安裝人員配備激光水平儀、三腳架、熱源、彎管器和鋼（卷）尺等輔助設(shè)備。在安裝之前，應(yīng)先規(guī)劃路徑，確認(rèn)安裝位置，再進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)線，安裝固定支架，最后進(jìn)行管道安裝。采用彎管器對(duì)紫銅管進(jìn)行折彎操作時(shí)，可采取先加熱后折彎的方式，多次進(jìn)行彎曲。切記不可一次性快速折彎，那樣非常容易造成氣管變形，影響氣量。變形的氣管段只能報(bào)廢，不得使用。

4.4? ? 設(shè)備安裝和維護(hù)的合理便捷性

控制閥安裝前應(yīng)進(jìn)行部分性能的檢驗(yàn)[3]。在氣動(dòng)閥門安裝時(shí)，應(yīng)該考慮安裝、調(diào)試、巡檢和維修的便利性。閥門配套的電磁閥的進(jìn)氣口和控制線纜進(jìn)線的方向，均要便于氣管和電線管的敷設(shè)和端接。設(shè)備定位準(zhǔn)確，才能確保氣管和電線管的敷設(shè)更加合理，布局更加美觀。減壓過濾閥應(yīng)靠近氣缸就近安裝，安裝高度以1.5 m為佳，便于壓力的調(diào)整和日后的巡檢。減壓過濾閥應(yīng)通過支架進(jìn)行固定，不得通過固定紫銅管的方式進(jìn)行固定。

5? ? 設(shè)備調(diào)試要點(diǎn)

5.1? ? 空壓機(jī)熱備設(shè)置

空壓機(jī)系統(tǒng)對(duì)采用氣動(dòng)閥門進(jìn)行控制的西安東北郊水廠來說有著非常重要的作用。如果空壓機(jī)氣源出現(xiàn)問題，壓力降低，則會(huì)導(dǎo)致水廠氣動(dòng)閥門無法正常工作，最終工藝全線癱瘓，直至停產(chǎn)。因此對(duì)于空壓機(jī)系統(tǒng)，水廠采用兩套空壓機(jī)進(jìn)行供氣，一臺(tái)正常使用，一臺(tái)處于熱備狀態(tài)，一般1～3個(gè)月互相切換使用。例如，1號(hào)空壓機(jī)加載壓力設(shè)置為0.65 MPa，卸載壓力設(shè)置為0.80 MPa；2號(hào)空壓機(jī)加載壓力設(shè)置為0.60 MPa，卸載壓力設(shè)置為0.80 MPa。正常情況下，1號(hào)空壓機(jī)處于工作狀態(tài)，當(dāng)加載壓力達(dá)到0.80 MPa時(shí)，空壓機(jī)停止加載；隨著現(xiàn)場(chǎng)的用氣，壓力降至0.65 MPa時(shí)，1號(hào)空壓機(jī)應(yīng)開始加載，至0.80 MPa時(shí)停止加載。如果壓力降至0.65 MPa時(shí)1號(hào)空壓機(jī)未能加載，壓力繼續(xù)下降至0.60 MPa時(shí)，2號(hào)空壓機(jī)則開始加載至0.80 MPa。如此工作模式可提高水廠氣動(dòng)系統(tǒng)的安全性。

5.2? ? 氣動(dòng)閥門速度控制

調(diào)節(jié)閥有氣關(guān)、氣開兩種形式，由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用和調(diào)節(jié)閥的正反安裝來決定[4]。不同的氣動(dòng)閥門根據(jù)工藝要求需要不同的開閥速度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，測(cè)試出最佳的供氣壓力和閥門行程時(shí)間，如表2所示。

閥門的開關(guān)速度控制對(duì)于防止水錘有著非常重要的作用。DN300初濾水排放蝶閥在對(duì)濾池進(jìn)行放空過程中，因管內(nèi)排放水流速達(dá)到2 m/s，快速關(guān)閉閥門非常容易造成初濾水總管發(fā)生水錘現(xiàn)象。工程現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)多次遇到同類情況，解決方法有兩種：

（1）將濾池初濾水排放閥的供氣壓力通過減壓過濾閥降低至0.3 MPa，調(diào)節(jié)兩位五通電磁閥上的消音器控制關(guān)閥速度。操作方法就是通過調(diào)節(jié)消音器內(nèi)部的針型閥，將關(guān)閥速度降至最低，最后將消音器針型閥固定螺絲緊固。通過該方法，使得閥門關(guān)閉時(shí)間達(dá)到8 s，緩慢關(guān)閉閥門可有效避免水錘現(xiàn)象。

（2）將濾池初濾水排放閥的氣動(dòng)蝶閥更換為氣動(dòng)調(diào)流閥，并通過PLC AO模塊輸出4～20 mA信號(hào)。該電流信號(hào)可通過程序設(shè)計(jì)對(duì)輸出時(shí)間進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制調(diào)流閥開關(guān)閥速度的目的。該方法同樣可以防止水錘的發(fā)生，但因采用氣動(dòng)調(diào)流閥，造價(jià)較高。

6? ? 結(jié)語

西安東北郊水廠氣動(dòng)系統(tǒng)的整體安裝和調(diào)試工作，在上海市政總院水業(yè)公司EPC總承包管理下，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)和安裝規(guī)范要求，在施工過程中進(jìn)行全程技術(shù)指導(dǎo)和質(zhì)量把控。同時(shí)在調(diào)試過程中，對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都認(rèn)真分析和確認(rèn)，并做詳細(xì)記錄，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)解決。正是因?yàn)閷?duì)安裝過程的質(zhì)量嚴(yán)格把控和擁有精湛的調(diào)試技術(shù)，最終水廠的氣動(dòng)系統(tǒng)安裝質(zhì)量一流，工作一切正常，為后續(xù)水廠并網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50275—2010[S].

[2] 工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范：GB 50235—2010[S].

[3] 龔飛鷹，劉傳君，何衍慶.控制閥實(shí)用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[4] 黃文鑫.教你成為一流儀表維修工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019.

收稿日期：2023-02-15

作者簡(jiǎn)介：龍濤（1982—），男，陜西人，工程師，研究方向：機(jī)電設(shè)備安裝與調(diào)試。