摘要：目前國內(nèi)市政凈水廠因考慮造價、維護和運行速度等因素，經(jīng)常采用氣動系統(tǒng)對閥門進行控制?，F(xiàn)針對西安市東北郊水廠氣動系統(tǒng)的特點，對其安裝和調(diào)試進行深度分析，為工程實際過程中存在的問題提供解決方案，解決相應的難題，對同類型工程有著一定的參考價值。

關鍵詞：氣動系統(tǒng)；氣動蝶閥；氣動翻板閥；空壓機系統(tǒng)；紫銅管；電磁閥；減壓過濾閥

中圖分類號：TH412? 文獻標志碼：A? 文章編號：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)生標準》要求，目前國內(nèi)大型市政凈水廠逐步開始進行升級改造。無論是新建水廠，還是擴建和改造水廠，都需要采用大量的閥門對介質(zhì)進行控制。閥門的控制主要采用電動閥門和氣動閥門兩大類，非重要閥門采用手動閥門進行控制。由于電動閥門造價高、運行速度慢、易過力矩等因素，相較而言氣動閥門的優(yōu)點更加突出。氣動閥門的氣源來自空壓機氣動系統(tǒng)，因此空氣質(zhì)量的好壞對整個氣動系統(tǒng)有著重要作用。

1? ? 項目概況

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)場需要采用大量氣動蝶閥和氣動翻板閥。筆者在該工程從事設備安裝和調(diào)試管理工作，在現(xiàn)場對設備的安裝進行全程指導，并帶領團隊完成單機和聯(lián)動試運行調(diào)試。本文對工程實際過程中遇到的問題和解決方法進行了梳理，對同類工程的安裝和調(diào)試工作有著借鑒意義，可供參考。

2? ? 氣動系統(tǒng)的特性

氣動系統(tǒng)的核心為氣源，優(yōu)質(zhì)的氣源對整個氣動系統(tǒng)有著非常重要的作用。氣源質(zhì)量好，無油、無水，可以延長設備的使用年限，降低維護和更換的成本。氣動系統(tǒng)主要包括空壓機、冷干機、儲氣罐、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，空壓機及冷干機制造技術的進步，供氣可以達到無油和無水狀態(tài)，為氣動系統(tǒng)的運行提供了強有力的保障。水廠氣動閥門的需求壓力一般為0.4～0.6 MPa，具體壓力設置根據(jù)工藝控制要求和氣缸特性進行。

氣動系統(tǒng)有其優(yōu)點，也有其缺點，如表1所示。

空壓機作用：市政水廠主要采用螺桿式壓縮機進行氣體壓縮，它是一種工作容積做回轉(zhuǎn)運動的容積式氣體壓縮機械。氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉(zhuǎn)子在機殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動來達到。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（后冷卻器）作用：空壓機輸出的壓縮空氣溫度可達到180 ℃，故氣管內(nèi)溫度大于室外溫度，易產(chǎn)生冷凝水，會對氣動系統(tǒng)產(chǎn)生影響，時間長久會腐蝕氣缸。冷干機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，并及時通過排水口進行排放，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，可采用旁通的方式供氣，必要時增加吸附式干燥器，利用化學方式進行分離，排出氣態(tài)水蒸氣。氣缸內(nèi)有潤滑油的各級排氣溫度不應超過180 ℃[1]。

儲氣罐作用：可消除壓力脈動，提供穩(wěn)定氣流；冷卻壓縮空氣，分離排放水和油分；儲存壓縮空氣，在空壓機出現(xiàn)故障時可短時間保證現(xiàn)場用氣量。

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工作站系統(tǒng)，用作集中供氣。設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、減壓過濾閥和氣動閥門，如圖2所示。按照水廠工程建設的順序，先單體再做場平。場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)氣動設備，最后再焊接場平的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：設備開箱檢查→基礎澆筑→基礎驗收→空壓機就位→冷干機就位→儲氣罐就位→不銹鋼氣管和球閥安裝→過濾器安裝→冷干機和儲氣罐排水管安裝→壓力表安裝→配電箱安裝→電纜敷設及端接。

3.2? ? 單體內(nèi)氣動設備選型及安裝

東北郊水廠大部分閥門采用氣動閥門對流體進行控制。氣缸分為直線氣缸和擺動氣缸，如圖3所示，直線氣缸包括氣動閘閥和氣動翻板閥，擺動氣缸主要為氣動蝶閥。為確保氣動閥門符合工藝設計要求，應對安裝標高進行準確測量，精準計算，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。因為η=F/F0，F(xiàn)為氣缸承受的負載（軸向負載力），根據(jù)運動速度選擇負載率η，已知F、P和η，可求出D，然后查表確認氣缸內(nèi)徑圓。市面上不同氣動閥門廠家參數(shù)不盡相同，應根據(jù)選用品牌，參考其參數(shù)數(shù)據(jù)，確定最終的氣缸型號。

3.3? ? 供氣管道安裝

供氣管道對整個氣動系統(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紫銅管至氣動閥門處，如圖4所示。焊接工程所采用的母材，應具有制造廠的質(zhì)量證明文件，并符合國家現(xiàn)行標準和設計文件的規(guī)定[2]。

對于不銹鋼氣管應采用氬弧焊焊接和法蘭進行連接，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，應采購6 m/根直管進行烘烤、煨彎，采用專業(yè)連接件進行連接和固定。紫銅管轉(zhuǎn)角處不得變形，應呈圓弧狀，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，應先根據(jù)現(xiàn)場設備安裝情況，合理布局，科學規(guī)劃，盡可能優(yōu)化路徑，采用水平儀打標注綠線，氣管按照綠線進行安裝。這樣就可以保證管道安裝橫平豎直，觀感度極高。減壓過濾閥的進氣方向應正確，壓力表應朝向便于巡檢的方向。在氣源分配器下排預留一個排氣口，可在吹掃過程中進行雜質(zhì)和水分的放空，如圖5所示。

4? ? 設備安裝要點

4.1? ? 氣源系統(tǒng)的合理性

空壓機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（后冷卻器）。為防止冷凝水倒灌，冷干機的進氣管道應低于空壓機的出氣管道。冷干機具備自動排氣的功能，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排水管與總排水管進行連接，噪聲值將會大大降低，符合夜間低于55 dB的噪聲要求。儲氣罐也應安裝自動疏水器，定期進行排水。

4.2? ? 管道吹掃的必要性

因為主供氣管道采用DN20不銹鋼鋼管，在進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)通過氣管進入末端氣缸電磁閥內(nèi)造成堵塞，影響氣動閥門的開啟，在管道安裝完成后應首先進行吹掃，吹掃應間斷性進行，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，關閉儲氣罐出口閥；待其壓力加載至0.8 MPa時，再進行下一次吹掃。氣源分配器應預留一個朝下排放的出氣口，便于排出雜質(zhì)和水分。在空氣吹掃過程中，當目測排氣無煙塵時，應在排氣口設置貼白布或涂白漆的木制靶板檢驗，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? ? 管道安裝的標準和美觀程度

氣動管道安裝的標準化和美觀程度，在很大程度上反映出安裝單位的管理和技術水平。氣動管道的安裝難度本身就較大，所以在安裝之前一定要對施工人員進行技術交底，給安裝人員配備激光水平儀、三腳架、熱源、彎管器和鋼（卷）尺等輔助設備。在安裝之前，應先規(guī)劃路徑，確認安裝位置，再進行精準標線，安裝固定支架，最后進行管道安裝。采用彎管器對紫銅管進行折彎操作時，可采取先加熱后折彎的方式，多次進行彎曲。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廢，不得使用。

4.4? ? 設備安裝和維護的合理便捷性

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

5? ? 設備調(diào)試要點

5.1? ? 空壓機熱備設置

空壓機系統(tǒng)對采用氣動閥門進行控制的西安東北郊水廠來說有著非常重要的作用。如果空壓機氣源出現(xiàn)問題，壓力降低，則會導致水廠氣動閥門無法正常工作，最終工藝全線癱瘓，直至停產(chǎn)。因此對于空壓機系統(tǒng)，水廠采用兩套空壓機進行供氣，一臺正常使用，一臺處于熱備狀態(tài)，一般1～3個月互相切換使用。例如，1號空壓機加載壓力設置為0.65 MPa，卸載壓力設置為0.80 MPa；2號空壓機加載壓力設置為0.60 MPa，卸載壓力設置為0.80 MPa。正常情況下，1號空壓機處于工作狀態(tài)，當加載壓力達到0.80 MPa時，空壓機停止加載；隨著現(xiàn)場的用氣，壓力降至0.65 MPa時，1號空壓機應開始加載，至0.80 MPa時停止加載。如果壓力降至0.65 MPa時1號空壓機未能加載，壓力繼續(xù)下降至0.60 MPa時，2號空壓機則開始加載至0.80 MPa。如此工作模式可提高水廠氣動系統(tǒng)的安全性。

5.2? ? 氣動閥門速度控制

調(diào)節(jié)閥有氣關、氣開兩種形式，由氣動執(zhí)行機構的正反作用和調(diào)節(jié)閥的正反安裝來決定[4]。不同的氣動閥門根據(jù)工藝要求需要不同的開閥速度，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試，測試出最佳的供氣壓力和閥門行程時間，如表2所示。

閥門的開關速度控制對于防止水錘有著非常重要的作用。DN300初濾水排放蝶閥在對濾池進行放空過程中，因管內(nèi)排放水流速達到2 m/s，快速關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，使得閥門關閉時間達到8 s，緩慢關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蝶閥更換為氣動調(diào)流閥，并通過PLC AO模塊輸出4～20 mA信號。該電流信號可通過程序設計對輸出時間進行控制，從而達到控制調(diào)流閥開關閥速度的目的。該方法同樣可以防止水錘的發(fā)生，但因采用氣動調(diào)流閥，造價較高。

6? ? 結(jié)語

西安東北郊水廠氣動系統(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，嚴格執(zhí)行設計和安裝規(guī)范要求，在施工過程中進行全程技術指導和質(zhì)量把控。同時在調(diào)試過程中，對氣動系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)都認真分析和確認，并做詳細記錄，對所發(fā)現(xiàn)的問題及時解決。正是因為對安裝過程的質(zhì)量嚴格把控和擁有精湛的調(diào)試技術，最終水廠的氣動系統(tǒng)安裝質(zhì)量一流，工作一切正常，為后續(xù)水廠并網(wǎng)打下了堅實的基礎。

[參考文獻]

[1] 風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規(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.控制閥實用手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015.

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

收稿日期：2023-02-15

作者簡介：龍濤（1982—），男，陜西人，工程師，研究方向：機電設備安裝與調(diào)試。