青山水庫(kù)輸水工程空氣閥設(shè)置方案及應(yīng)用探討

馬世波

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

0 引言

青山水庫(kù)輸水工程為單線有壓管道和無(wú)壓隧洞相結(jié)合的長(zhǎng)距離輸水工程,工程起自青山水庫(kù)取水塔,經(jīng)頭部分水閥室后,先自流至中途加壓泵站,后經(jīng)泵站加壓提升后輸送至系統(tǒng)最高處的無(wú)壓隧洞,再通過(guò)無(wú)壓隧洞自流輸送至末端葫蘆島市區(qū)。

工程主要由分水閥室、輸水管道、加壓泵站、無(wú)壓隧洞等組成,以無(wú)壓隧洞為界,將整個(gè)管道系統(tǒng)分為兩段,隧洞前為壓力輸水系統(tǒng),隧洞后為重力流輸水系統(tǒng)。線路總長(zhǎng)71630 m,主管材為預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管（PCCP）,管徑1.2 m~1.60 m,工作壓力為0.6 MPa~0.8 MPa。輸水規(guī)模為平均日輸水17.10 萬(wàn)t,最高日輸水20.86 萬(wàn)t；設(shè)置中途加壓泵站1座；中途無(wú)壓隧洞1 處,隧洞設(shè)計(jì)底高程為100.0 m,長(zhǎng)2152 m,采用圓拱直墻式斷面,底寬2.00 m,側(cè)墻高1.00 m,拱高1.00 m,拱半徑為1.00 m,設(shè)計(jì)水深0.9 m,無(wú)壓隧洞為本工程的最高點(diǎn),總體布置呈倒虹吸狀。工程總體布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 青山水庫(kù)輸水工程系統(tǒng)布置示意圖

1 空氣閥設(shè)置方案分析及確定

1.1 空氣閥設(shè)置原則

本工程空氣閥設(shè)置方案原則確定時(shí),結(jié)合本工程的系統(tǒng)布置情況及運(yùn)行工況首先分析了管道系統(tǒng)需要考慮進(jìn)氣和排氣的各主要功能需求邊界條件,進(jìn)而確定了本工程的空氣閥設(shè)置原則。管道氣體排出重點(diǎn)考慮了管線充水時(shí)管中空氣排出以及管線正常運(yùn)行時(shí),水中會(huì)有溶解的空氣隨著溫度的上升或壓力下降從管道中析出的氣體的排出等邊界條件；管道進(jìn)氣重點(diǎn)考慮了管線的放空、瞬變流等情況管線出現(xiàn)負(fù)壓時(shí),空氣需從外部進(jìn)入管中；管道發(fā)生爆管事故時(shí),輸水系統(tǒng)將從爆管處大量泄水,可能導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生真空,需要進(jìn)行補(bǔ)氣；管道檢修閥關(guān)閉時(shí),可能會(huì)在下游產(chǎn)生真空,需要進(jìn)行補(bǔ)氣等。

經(jīng)綜合分析,確定本工程的空氣閥的設(shè)置原則如下：

a.管線駝峰：設(shè)防水錘緩閉空氣閥和真空吸氣微排閥。

b.長(zhǎng)水平管段：設(shè)真空吸氣微排或復(fù)合式空氣閥。

c.長(zhǎng)下坡管段：設(shè)復(fù)合式空氣閥。

d.長(zhǎng)上坡管段：設(shè)復(fù)合式空氣閥或空氣或真空吸氣微排閥。

e.上坡管線坡度降管段：設(shè)復(fù)合式空氣閥或空氣或真空吸氣微排閥。

f.下坡管線坡度度升管段：設(shè)復(fù)合式空氣閥或空氣或真空吸氣微排閥。

1.2 空氣閥計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算原理

空氣閥數(shù)學(xué)模型需基于如下假定[1]：

（1） 空氣等熵地流入流出空氣閥；

（2） 進(jìn)入管道的空氣留在其可以排出的空氣閥附近；

（3） 管內(nèi)的空氣遵守等溫規(guī)律；

（4） 液體的表面高度基本上保持不變,而空氣的體積和管段內(nèi)的液體體積相比很小。

1.2.1 空氣閥計(jì)算模型

如圖2,其中：Qpxi、Qppi分別為時(shí)刻to、t流入斷面i-i的流量 ；Qi、Qpi為分別為時(shí)刻to、t流出斷面i-i的流量；Za為空氣閥位置高程；V為空穴體積。

圖2 空氣閥計(jì)算模型示意圖

按照空氣流進(jìn)、流出空氣閥速度不同,空氣閥邊界條件可分四種情況[1]：

空氣以亞音速等熵流進(jìn)（po> p >0.528po）：

式中：Cin為流入空氣閥的流量系數(shù)。

當(dāng)輸水管道中不存在空氣及水壓高于大氣壓時(shí)空氣閥接頭的邊界條件就是Hpi和Qpi的一般的內(nèi)截面解。當(dāng)水頭降到管線高度以下時(shí),空氣閥打開(kāi)讓空氣流入,在空氣被排出之前,氣體滿足恒定的完善氣體方程：

1.2.2 空氣閥模型數(shù)值求解

在t時(shí)刻,可以近似得到差分方程：

式中：mo為時(shí)刻to空穴中空氣質(zhì)量,kg；o為時(shí)刻to流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量,kg； 為時(shí)刻t流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量,kg；Δt為時(shí)間步長(zhǎng),特征線方法的穩(wěn)定條件確定,s。

管道相容性方程為：

式中：γW為水體的容重；Za為空氣閥位置高程,m；Ha為絕對(duì)大氣壓頭,m。

將式（7）和式（8）代入式（6）得：

式中：p是未知量,其余參數(shù)結(jié)為已知量。

將描述 的函數(shù)式（1）至式（4）離散化,從而將式（9）轉(zhuǎn)變成為p的二次方程,然后通過(guò)判斷解的存在區(qū)域并求解相應(yīng)的二次方程得p的近似解。

1.3 空氣閥口徑計(jì)算

空氣閥口徑確定應(yīng)結(jié)合其功能分別計(jì)算確定。本工程各類型空氣閥口徑確定時(shí)分別按照充水工況、檢修放空、管道事故工況等情況,并通過(guò)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算,最終確定了空氣閥類型及口徑。計(jì)算中根據(jù)各類型空氣的功能特點(diǎn),分別進(jìn)行了主要邊界條件限制,具體如下：

（1）真空吸氣微排空氣閥：由于真空破壞閥只在負(fù)壓時(shí)進(jìn)氣并不會(huì)在壓力大于一定值的時(shí)候排氣的特點(diǎn),其限定條件為：當(dāng)管道內(nèi)壓力小于管道中心高程標(biāo)高值時(shí),發(fā)生動(dòng)作,其他時(shí)候不發(fā)生動(dòng)作。

（2）復(fù)合式空氣閥：根據(jù)復(fù)合式空氣閥的性能特點(diǎn)是在一定壓力下會(huì)突然起球發(fā)生動(dòng)作,不同位置的空氣閥起球壓力不同。所以,復(fù)合式空氣閥的限定條件為：當(dāng)管道內(nèi)壓力小于空氣閥的起球壓力時(shí),復(fù)合式空氣閥發(fā)生動(dòng)作,其他時(shí)候不發(fā)生動(dòng)作。對(duì)于具有恒速緩沖功能的復(fù)核式空氣閥,由于增加了緩沖裝置,對(duì)氣流排出速度起到一定的限制作用,排氣速度設(shè)定為0.3 m/s。

（3）微量排氣閥：本工程中微量排氣量取管道內(nèi)流量的2%進(jìn)行了取值,并分別對(duì)微量空氣以臨界音速排出以及亞音速排出兩種情況進(jìn)行了計(jì)算確定。

1.4 空氣閥設(shè)置距離

綜合水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算以及其他類似工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),本工程空氣閥設(shè)置間距如下：在長(zhǎng)的水平段管道上每隔400-800 m設(shè)置一處微量排氣閥或復(fù)合空氣閥；在長(zhǎng)的下坡段管道上每隔380 m~760 m設(shè)置一處復(fù)合空氣閥；在長(zhǎng)的上坡段管道上每隔400 m~800 m設(shè)置一處真空排氣閥。

1.5 空氣閥設(shè)置方案

根據(jù)本工程管線敷設(shè)情況及系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn),經(jīng)計(jì)算分析,本工程共設(shè)置了復(fù)合空氣閥、防水錘緩閉空氣閥、真空吸氣微排閥等各類空氣閥112個(gè),具體見(jiàn)表1。

表1 空氣閥設(shè)置統(tǒng)計(jì)

1.6 效果分析

本工程以中間無(wú)壓隧洞為界,分成兩部分,且無(wú)壓隧洞從功能上類似于一座穩(wěn)壓塔,當(dāng)發(fā)生事故停泵事故時(shí),既可以向上游側(cè)補(bǔ)充一定容積的水,又可向下游側(cè)補(bǔ)充一定容積的水,且無(wú)壓隧洞內(nèi)水體容積較大（約3875 m3）,因此,只要使系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),能將管道內(nèi)產(chǎn)生的氣體或氣囊及時(shí)排出,在系統(tǒng)內(nèi)局部凸起部位產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)能及時(shí)消除,便能保證系統(tǒng)安全。經(jīng)模擬計(jì)算,在管路系統(tǒng)沿線分別設(shè)置表1所示的各型空氣閥后,較好的解決了系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的正壓水錘和負(fù)壓水錘,工程效果較好。

在確定了空氣閥設(shè)置方案后,對(duì)不同運(yùn)行工況進(jìn)行了過(guò)渡過(guò)程復(fù)核計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示輸水系統(tǒng)中管線正壓負(fù)壓均滿足管線校核壓力要求,其中高日運(yùn)行工況下,發(fā)生事故停泵時(shí)管道系統(tǒng)壓力包絡(luò)線見(jiàn)圖3。

圖3 剖面圖示意圖

圖3 高日流量事故停泵工況管道系統(tǒng)壓力包絡(luò)線圖

2 結(jié)語(yǔ)

目前本工程已安全運(yùn)行超過(guò)5年時(shí)間,歷經(jīng)了多種供水工況的考驗(yàn),工程運(yùn)行狀況良好,管路系統(tǒng)中的各類型空氣閥運(yùn)行狀況良好,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的正壓水錘和負(fù)壓水錘消除效果較好,可為長(zhǎng)距離輸水工程中空氣閥設(shè)置方案及應(yīng)用提供一定的參考。