空气阀在丹东市输水工程中的应用

2018-06-27潘琼芝

东北水利水电 2018年6期

潘琼芝

（丹东市鸭绿江防洪护岸工程建设管理局，辽宁丹东 118000）

1 工程概况

丹东市滨江路输水工程主干线全长30 km，采用PC⁃CP管材输水，在首端设置1座输水泵站。

管路布置：在桩号0+000～14+888之间采用2根直径1.8 m的PCCP管道并联输水，线路沿线有2个分水口。设计工况分水流量：蛤蟆塘分水5.3万m/d，分水口桩号12+680；应急分支分水20.0万m/d，分水口桩号14+888 m；余下用直径1.4 m的PCCP管直接送到四道沟水厂。

由于管道工程输水线路长，沿途起伏点多，在机组事故断电的水力瞬变过程中存在发生水压降低到液体汽化压力，形成局部气囊的液柱分离现象，从而发生巨大弥合冲击水压致爆管事故的可能性。另外，工程大部分管线铺设在城市街道和人行道地下，这将限制水击危害防护方法的选择范围，并对防水击破坏设备的安装提出新要求。采用空气阀是必须的防护措施。

2 空气阀工作的数学模型

流过空气阀的空气质量流量取决于管外大气的压力Pa（绝对压力）、绝对温度Ta、以及管内的绝对温度T和压力P（绝对压力）。分下述4种情况：

2.1 空气以亚声速流入

2.2 空气以临界速度流入

2.3 空气以亚声速流出

式中：Cout为排气时阀的流量系数；Aout为排气时阀的流通面积，m2。

2.4 空气以临界速度流出

当不存在空气及水压高于大气压时，空气阀接头处的边界条件就是和的一般的内截面解。当水头降到管线高度以下时，空气阀打开让空气流入，在空气被排出之前，气体满足恒定内温的完善气体方程

式中：V- 为空穴体积，m3。在时刻t，式（5）可以近似为

式中：为时刻的空穴体积，m3；△t=t-t0，由特征线方法的稳定性条件确定，s；Qi为时刻t0流出断面i的流量，m3/s；QPi为时刻流出断面的流量，m3/s；QPXi为时刻t0流入断面i的流量，m3/s；QPPi为时刻t流入断面i的流量，m3/s；Ma0为时刻空穴中空气的质量，kg；M˙a0为时刻流入或流出空穴的空气质量流量，kg/s；M˙a为时刻流入或流出空穴的空气质量流量，kg/s。

采用特征线方法，和相容性方程为

式中：Ha为大气压头（绝对压头），m；γ为液体容重，N/m3；Z为空气阀位置高程，m。

将式（7）和（8）代入式（6）得

这就是出现空穴时时刻t要解的方程。在方程中除p是未知量外，其余参数都是已知量。不过，由于气体质量流量的导数不是连续函数，从式（9）中求出p的解不是一件容易的事。目前国内外普遍采用Wylie和Streeter(1978)提出的方法求解，该法的基本思路是：首先将描述的函数式（1）和（2）离散化，然后用一系列抛物线方程来分段近似，从而将式（9）转变成为的二次方程，然后通过判断解的存在区域并求解相应的二次方程得的p近似解。一般需要经过几次这样的过程才能确定p的解。这种方法的不足之处是计算程序复杂，且收敛性较差。

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需要说明的是，目前出现了一些新型的复合空气阀，例如二级或者三级缓闭防水锤型空气阀。二级缓闭防水锤型空气阀是在低压时全速排气，高压时限制排气速度。三级缓闭防水锤型空气阀将低压排气过程分为两个阶段，低压差时全速排气，较高压差时限制排气速度，以消除水锤等特殊工况下因全速排气而加剧的压力波动对系统的冲击。

对于二级或者三级缓闭防水锤型空气阀，不需要新的数学模型，只需在计算的过程中适当调整上述空气阀数学模型排气流通面积的大小即可。

3 空气阀型式的选择及布置

目前在国内长输水管道水击危害防护中，设计师们对采用空气阀比较感兴趣，原因是可以利用为充水过程设置的空气阀完成事故工况，如水泵断电的水压控制，投资最少。

GB50013-2006《室外给水设计规范》7.4.7节规定：输水管（渠）道隆起点上应设通气设施，管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 m左右设一处通气设施，配水管道可根据工程需要设置空气阀。但对于空气阀进排气孔径，我国相关规范仅仅说明依据经验一般选取输水管道的1/8～1/10。美国水行业协会编制的《AWWA M51空气阀选型计算指南》3.1.1节建议：管线长上坡段，应该考虑以400～800 m之间的距离安装高速进排气阀或者复合式空气阀；在管线的长水平段两端，可以安装复合式空气阀；如果水平段足够长，应该考虑以400～800 m的间距安装微量排气阀或者复合式空气阀，因为，在低流速状况下，是很难将空气从管线排出的。AWWA M51也给出了满足管线充水进排气需要的空气阀类型的选择及进排气孔径的设计计算方法，同时，考虑水击危害防护，建议通过水击计算确定空气阀的类型及尺寸。

李辉和潘玉龙（2003）与张之钰和苏海滨（2005）等以引黄入晋工程为例，介绍了空气阀类型的选择和空气阀的布置。张健等（2009）研究了空气阀设置位置、间距、数量与管道布置的关系，提出了不同工况下长距离供水管线中设置空气阀应满足的通用准则与相关公式。胡建永和方杰（2013）认为气泡被水流带走的临界流速反映了管线输水气体的能力，可以作为在经验取值范围内判断空气阀设置间距的依据。杨开林、石维新、陈景富（2005，2010，1011）针对南水北调中线北京段输水工程、淮水北调临涣工业园输水管线工程、引松供水工程为例，研究了完全依靠空气阀防护水击危害，结果表明，过大或者过小的空气阀孔径都不利于水击危害防护，只有根据情况精心调整个别位置空气阀的进排气孔径，才能得到好的水击防护效果。

在工程设计中，空气阀类型、布置、进排气孔径常常根据局部管道（1 000 m左右）充水进排气的需要进行设计计算，由于充水过程进排气量较大，这样配置的空气阀尺寸往往不能满足水击防护的需要，因为水击过程中要求缓慢的排出空气，以避免排气过快产生巨大的冲击水压。为了解决充水和水击防护对空气阀性能要求不一致的矛盾，需要注意这样的实际情况，对于长距离输水管线，根据GB50013-2006，宜间隔1 000 m左右设一处通气设施，在充水未经过的管线所有空气阀都会进排气，而不是只在充水来临的一个空气阀工作，这意味着按照局部管道充水的需要，选择的空气阀进排气孔径具有较大的裕量，存在减小空气阀尺寸的合理性。鉴于此，可以采用下述方法选择空气阀的类型和布置：

1）计算不设空气阀情况下的水力过渡过程，找出管线水压可能降低到汽化压力的管段；

2）在可能发生液体汽化管段凸起点及附近区域设置防水锤复合空气阀，并优化其进排气孔径，容许进气孔径大于排气孔径，以满足减小管道真空度、降低液柱弥合冲击水压的要求；

3）在各种水力过渡过程中不发生负压的管线，按照充水过程需要选择空气阀类型、布置、进排气孔径。

如果经过水击计算论证单纯采用空气阀不能满足运行安全要求，则考虑采用其他方法控制水压的变化。

4 应用

原始数据：管道曼宁综合糙率系数为0.012 5，包括局部水头损失；泵站前池水位20.5 m；四道沟净水厂出口水位5.7 m。

初始条件：5台泵运行，水泵扬程15.9 m；流量1.02 m/s；额定转速；蝶阀全开；蛤蟆塘分水0.59 m/s；应急分支分水2.28 m/s。

初步计算表明，在不设空气阀的情况下，由于泵站前池水位比干线末端水位高，泵站事故断电且蝶阀拒动时，干线水压都会下降到液体汽化压力，需要设置空气阀加以避免。根据GB50013-2006，初步在干线间隔500～1 000 m特征点设一处复合空气阀。

在假设全部空气阀进排气孔径相同条件下，当泵站5台水泵同时事故断电、蝶阀拒动时，观察干线管顶最大/最小/初始测压管水头的沿程分布，在水力过渡过程中，机组没有反转和倒流。主要原因是水泵前池水位高于全线管道高程及各净水厂水位，即使事故断电，但由于虹吸作用，水仍然会向前流。在桩号12+900处是线路的凸起点，高程15.16 m，它的下游线路的高程都较低，在桩号0+000～12+900之间最大水压是初始水压，而最小水压高于大气压，该区间的空气阀在事故断电水力过渡过程中不工作；但桩号12+900下游线路大部分管线负压严重，空气阀工作，其最小水压约为-9.0 m水头，发生液体汽化现象，导致液柱弥合水锤，最大水压远远超过初时水压。

比较150 mm和200 mm孔径初始测压管水头的沿程分布，空气阀进排气孔径的变化对控制液体汽化现象的作用相差微小，由于选择空气阀进排气孔径为150 mm或者200 mm都在相关规范的推荐范围内，考虑到在充水未经过的管线所有空气阀都会进排气，而不是只在充水来临的一个空气阀工作，从节省投资的观点，建议采用了全线空气阀孔径为150 mm的设计。考虑桩号0+000～12+900之间空气阀在事故断电水力过渡过程中不工作，空气阀只承担充水过程中的进排气作用，建议设计院选取普通的复合空气阀，而在桩号12+900下游线路采用防水锤型复合空气阀。另外，由于采用空气阀后桩号12+900下游负压仍然严重，工程实际中还采用压气罐控制水压，此文不再详细介绍。

丹东市滨江路输水工程按照计算推荐结果安装空气阀，目前运行状况良好。