嚴(yán)寒地區(qū)有壓輸水隧洞永久支洞進(jìn)排氣技術(shù)研究

趙維煒

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110003)

0 引 言

我國(guó)水利“十四五”規(guī)劃明確提出，近5年的工作重點(diǎn)之一是優(yōu)化水資源配置格局，加強(qiáng)供水安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)，推進(jìn)重大引調(diào)水工程建設(shè)，建設(shè)一批跨流域跨區(qū)域骨干輸水通道，逐步完善國(guó)家骨干供水基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。文章通過(guò)對(duì)引調(diào)水工程有壓輸水隧洞在通水階段和正常運(yùn)行階段中，隧洞內(nèi)發(fā)生水錘現(xiàn)象需要解決進(jìn)排氣問(wèn)題，工程結(jié)合施工永久支洞保溫門內(nèi)安裝專門定制的余壓閥，較好的解決了嚴(yán)寒地區(qū)永久支洞保溫和進(jìn)排氣問(wèn)題。

1 工程概況

省重點(diǎn)供水工程采用有壓輸水隧洞，隧洞全長(zhǎng)99km，成洞斷面為7.3m圓形斷面，設(shè)計(jì)供水流量77m3/s，工程取水口為巖塞口，距取水口約4km處設(shè)置一處檢修豎井，距隧洞出口170m處設(shè)置一處調(diào)壓溢流系統(tǒng)，調(diào)壓系統(tǒng)由溢流井、連接渠、泄水井、泄水洞、箱涵組成，溢流水量最后經(jīng)閥室后尾水渠流入調(diào)節(jié)水庫(kù)。溢流井結(jié)構(gòu)斷面為圓形，直徑為16.0m，泄水井及泄水洞結(jié)構(gòu)斷面為圓形，直徑為5.0m，泄水箱涵結(jié)構(gòu)斷面為方型，斷面尺寸為5.0m×5.0m。

壓力隧洞出口設(shè)置消能設(shè)施，為2臺(tái)調(diào)流消能閥和4臺(tái)消能發(fā)電機(jī)組，工程沿線共設(shè)置5條永久支洞，支洞斷面采用圓拱直墻型，成洞斷面均為6.6m×6.0m(寬×高)。永久支洞主要功能為工程運(yùn)維階段的檢修交通運(yùn)輸和隧洞正常運(yùn)行時(shí)的排氣和補(bǔ)氣，工程所在地為嚴(yán)寒地區(qū)，各永久支洞口均需設(shè)置保溫大門，通過(guò)理論計(jì)算和工程實(shí)際設(shè)計(jì)，改造永久支洞保溫大門，使其既具備保溫功能又能實(shí)現(xiàn)隧洞運(yùn)行時(shí)的排氣、進(jìn)氣需求。

2 支洞排氣量計(jì)算

2.1 有壓隧洞水錘計(jì)算公式的選用

非棱柱體管道有壓非恒定流基本方程：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：H為以某一水平面為基準(zhǔn)的測(cè)壓管水頭；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；Ax為管道斷面面積隨x軸線的變化率；S為濕周；F為Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；a為水擊波傳播速度。

方程1-2是一組擬線性雙曲型偏微分方程, 可采用特征線法將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)在特征線上的常微分方程：

(3)

(4)

經(jīng)過(guò)方程優(yōu)化整理得：

C+QP=QCP-CQP·HP

(5)

C-：QP=QCM+CQM·HP

(6)

2.2 計(jì)算工況

工況選擇：工程運(yùn)行時(shí)當(dāng)供水隧洞出口消能電站2臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，有壓隧洞水錘對(duì)沿線永久支洞進(jìn)、排氣影響最大，所需通氣量最大，因此計(jì)算工況選用2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷工況，計(jì)算模型選擇離調(diào)壓井最近、影響最大的12#永久支洞，計(jì)算公式選用(5)和(6)，輔助計(jì)算軟件選用bently水錘計(jì)算軟件[1-2]。

2.3 計(jì)算成果

1)支洞流量成果

兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，12#永久支洞水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果曲線如下，其中支洞內(nèi)流量變化范圍為-2.1m3/s-4.6m3/s。

圖1 12#支洞內(nèi)流量變化

2)氣體流量轉(zhuǎn)換計(jì)算

根據(jù)《給水管道復(fù)合式高速進(jìn)排氣閥 CJ/T217-2013》氣體可壓縮絕熱等熵計(jì)算公式：

(7)

式中：Qv為體積流量，m3/h；a為孔板的流量系數(shù)，無(wú)量綱；ε為孔板處空氣的可膨脹性系數(shù)，無(wú)量綱；A1為孔板節(jié)流部位的面積，m2；△p為孔板差壓，單位為帕，Pa；ρ為空氣密度，單位為kg/m3，ρ=1.293kg/m3

換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20℃, 101 325 Pa)的排氣量：

(8)

式中：QVN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的排氣量(20℃、101 325Pa)，m3/h；ρN為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，ρN=1.2041kg/m3(20℃時(shí)) 。

兩臺(tái)消能機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，12#支洞最大瞬時(shí)流量如表1：

表1

根據(jù)氣體可壓縮絕熱等熵計(jì)算公式7，支洞瞬時(shí)流量換算為氣體流量排氣最大值為5.04 m3/s，為18144 m3/h。

3 支洞進(jìn)排氣設(shè)備選擇

工程永久支洞保溫門設(shè)計(jì)時(shí)采用設(shè)備是專門定制的余壓閥，根據(jù)閥體兩側(cè)壓力不同能調(diào)整閥體開(kāi)度，同時(shí)通過(guò)閥體重錘的位置不同來(lái)平衡風(fēng)壓。

3.1 工作原理

將閥體安裝在支洞保溫大門上，當(dāng)支洞洞內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，重錘位置發(fā)生偏移，洞內(nèi)壓縮氣體通過(guò)閥體排向洞外，使得支洞內(nèi)外氣壓平衡。當(dāng)洞內(nèi)壓力小于設(shè)定壓力時(shí)，重錘位置發(fā)生偏移，支洞外氣體自動(dòng)流入洞內(nèi)，從而保持洞內(nèi)與洞外的氣壓平衡。

3.2 余壓閥分類

余壓閥基本分為以下2種：

重錘型余壓閥：閥體為可調(diào)式，一般開(kāi)啟氣壓差介于5Pa-30Pa，葉片開(kāi)啟角度最大為45°，閥體或框架為熱鍍鋅鋼板，葉片軸、平衡錘為Q235低碳鋼，軸套為青銅。

自垂式余壓閥：為定壓差葉片，一般開(kāi)啟氣壓差介于10Pa-50Pa，，類似于自垂百葉。框架為熱鍍鋅鋼板，葉片為鋁合金，軸承為工程塑料，軸為青銅。

由于上述使用環(huán)境為室內(nèi)，而本工程使用部位為隧洞，水流波動(dòng)很容易造成空氣壓差，為了避免余壓閥頻繁開(kāi)啟，在本工程中設(shè)計(jì)時(shí)提高了開(kāi)啟壓力，按照0.5m水頭計(jì)算，約為5kPa。

3.3 設(shè)計(jì)風(fēng)量

由于可調(diào)式重錘型余壓閥風(fēng)量較小，考慮到本工程設(shè)計(jì)風(fēng)量較大，因此選取自垂式余壓閥。

表2 自垂式余壓閥計(jì)算風(fēng)量表 m3/h

當(dāng)設(shè)計(jì)壓差選用5KPa時(shí)，根據(jù)比選約為30Pa壓力下通風(fēng)量的6.7倍。

4.4 設(shè)備選型

根據(jù)進(jìn)排氣量，本次設(shè)計(jì)選用自垂式余壓閥，結(jié)合保溫大門結(jié)構(gòu)，余壓閥寬度應(yīng)<1.0m，本次選取2個(gè)‘型號(hào)4’自垂式余壓閥用于排氣(一主一備，最大排氣總量為6.7×3350=22445 m3/h，是計(jì)算排氣量18144 m3/h的1.24倍)，2個(gè)‘型號(hào)4’自垂式余壓閥用于補(bǔ)氣[3-4]。

表3 自垂式余壓閥特性表

3.5 安裝示意圖

安裝示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 安裝示意圖

4 結(jié)論與建議

本次新型永久支洞排氣系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在遼寧省某重點(diǎn)供水工程中，目前運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。此系統(tǒng)解決了東北寒冷地區(qū)輸供水工程正式運(yùn)行中永久支洞的保溫與進(jìn)排氣相統(tǒng)一的問(wèn)題，同時(shí)，此系統(tǒng)工程施工便捷且工程投資較小，為今后類似工程具有一定的借鑒意義。

根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)用情況，建議工程首次通水或放空檢修再次充水時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際預(yù)留的永久支洞數(shù)量、各類建筑物進(jìn)排氣能力及充水方式等情況，永久支洞本身的進(jìn)排氣功能(敞開(kāi)洞門)和洞門進(jìn)排氣系統(tǒng)(關(guān)閉洞門)配合使用，進(jìn)排氣效果更佳。