青山水庫輸水工程空氣閥設置方案及應用探討

馬世波

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110006）

0 引言

青山水庫輸水工程為單線有壓管道和無壓隧洞相結合的長距離輸水工程,工程起自青山水庫取水塔,經頭部分水閥室后,先自流至中途加壓泵站,后經泵站加壓提升后輸送至系統最高處的無壓隧洞,再通過無壓隧洞自流輸送至末端葫蘆島市區。

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

圖1 青山水庫輸水工程系統布置示意圖

1 空氣閥設置方案分析及確定

1.1 空氣閥設置原則

本工程空氣閥設置方案原則確定時,結合本工程的系統布置情況及運行工況首先分析了管道系統需要考慮進氣和排氣的各主要功能需求邊界條件,進而確定了本工程的空氣閥設置原則。管道氣體排出重點考慮了管線充水時管中空氣排出以及管線正常運行時,水中會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；管道進氣重點考慮了管線的放空、瞬變流等情況管線出現負壓時,空氣需從外部進入管中；管道發生爆管事故時,輸水系統將從爆管處大量泄水,可能導致管道內產生真空,需要進行補氣；管道檢修閥關閉時,可能會在下游產生真空,需要進行補氣等。

經綜合分析,確定本工程的空氣閥的設置原則如下：

a.管線駝峰：設防水錘緩閉空氣閥和真空吸氣微排閥。

b.長水平管段：設真空吸氣微排或復合式空氣閥。

c.長下坡管段：設復合式空氣閥。

d.長上坡管段：設復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：設復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：設復合式空氣閥或空氣或真空吸氣微排閥。

1.2 空氣閥計算模型及數值計算原理

空氣閥數學模型需基于如下假定[1]：

（1） 空氣等熵地流入流出空氣閥；

（2） 進入管道的空氣留在其可以排出的空氣閥附近；

（3） 管內的空氣遵守等溫規律；

（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的液體體積相比很小。

1.2.1 空氣閥計算模型

如圖2,其中：Qpxi、Qppi分別為時刻to、t流入斷面i-i的流量 ；Qi、Qpi為分別為時刻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 空氣閥計算模型示意圖

按照空氣流進、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（po> p >0.528po）：

式中：Cin為流入空氣閥的流量系數。

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

1.2.2 空氣閥模型數值求解

在t時刻,可以近似得到差分方程：

式中：mo為時刻to空穴中空氣質量,kg；o為時刻to流入或流出空穴的空氣質量流量,kg； 為時刻t流入或流出空穴的空氣質量流量,kg；Δt為時間步長,特征線方法的穩定條件確定,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,其余參數結為已知量。

將描述 的函數式（1）至式（4）離散化,從而將式（9）轉變成為p的二次方程,然后通過判斷解的存在區域并求解相應的二次方程得p的近似解。

1.3 空氣閥口徑計算

空氣閥口徑確定應結合其功能分別計算確定。本工程各類型空氣閥口徑確定時分別按照充水工況、檢修放空、管道事故工況等情況,并通過水力過渡過程計算,最終確定了空氣閥類型及口徑。計算中根據各類型空氣的功能特點,分別進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壓時進氣并不會在壓力大于一定值的時候排氣的特點,其限定條件為：當管道內壓力小于管道中心高程標高值時,發生動作,其他時候不發生動作。

（2）復合式空氣閥：根據復合式空氣閥的性能特點是在一定壓力下會突然起球發生動作,不同位置的空氣閥起球壓力不同。所以,復合式空氣閥的限定條件為：當管道內壓力小于空氣閥的起球壓力時,復合式空氣閥發生動作,其他時候不發生動作。對于具有恒速緩沖功能的復核式空氣閥,由于增加了緩沖裝置,對氣流排出速度起到一定的限制作用,排氣速度設定為0.3 m/s。

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

1.4 空氣閥設置距離

綜合水力過渡過程計算以及其他類似工程的應用經驗,本工程空氣閥設置間距如下：在長的水平段管道上每隔400-800 m設置一處微量排氣閥或復合空氣閥；在長的下坡段管道上每隔380 m~760 m設置一處復合空氣閥；在長的上坡段管道上每隔400 m~800 m設置一處真空排氣閥。

1.5 空氣閥設置方案

根據本工程管線敷設情況及系統設計特點,經計算分析,本工程共設置了復合空氣閥、防水錘緩閉空氣閥、真空吸氣微排閥等各類空氣閥112個,具體見表1。

表1 空氣閥設置統計

1.6 效果分析

本工程以中間無壓隧洞為界,分成兩部分,且無壓隧洞從功能上類似于一座穩壓塔,當發生事故停泵事故時,既可以向上游側補充一定容積的水,又可向下游側補充一定容積的水,且無壓隧洞內水體容積較大（約3875 m3）,因此,只要使系統在正常運行時,能將管道內產生的氣體或氣囊及時排出,在系統內局部凸起部位產生負壓時能及時消除,便能保證系統安全。經模擬計算,在管路系統沿線分別設置表1所示的各型空氣閥后,較好的解決了系統內產生的正壓水錘和負壓水錘,工程效果較好。

在確定了空氣閥設置方案后,對不同運行工況進行了過渡過程復核計算,計算結果顯示輸水系統中管線正壓負壓均滿足管線校核壓力要求,其中高日運行工況下,發生事故停泵時管道系統壓力包絡線見圖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壓力包絡線圖

2 結語

目前本工程已安全運行超過5年時間,歷經了多種供水工況的考驗,工程運行狀況良好,管路系統中的各類型空氣閥運行狀況良好,對系統內產生的正壓水錘和負壓水錘消除效果較好,可為長距離輸水工程中空氣閥設置方案及應用提供一定的參考。