青山水库输水工程空气阀设置方案及应用探讨

马世波

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110006）

0 引言

青山水库输水工程为单线有压管道和无压隧洞相结合的长距离输水工程,工程起自青山水库取水塔,经头部分水阀室后,先自流至中途加压泵站,后经泵站加压提升后输送至系统最高处的无压隧洞,再通过无压隧洞自流输送至末端葫芦岛市区。

工程主要由分水阀室、输水管道、加压泵站、无压隧洞等组成,以无压隧洞为界,将整个管道系统分为两段,隧洞前为压力输水系统,隧洞后为重力流输水系统。线路总长71630 m,主管材为预应力钢套筒混凝土管（PCCP）,管径1.2 m~1.60 m,工作压力为0.6 MPa~0.8 MPa。输水规模为平均日输水17.10 万t,最高日输水20.86 万t；设置中途加压泵站1座；中途无压隧洞1 处,隧洞设计底高程为100.0 m,长2152 m,采用圆拱直墙式断面,底宽2.00 m,侧墙高1.00 m,拱高1.00 m,拱半径为1.00 m,设计水深0.9 m,无压隧洞为本工程的最高点,总体布置呈倒虹吸状。工程总体布置示意图见图1。

图1 青山水库输水工程系统布置示意图

1 空气阀设置方案分析及确定

1.1 空气阀设置原则

本工程空气阀设置方案原则确定时,结合本工程的系统布置情况及运行工况首先分析了管道系统需要考虑进气和排气的各主要功能需求边界条件,进而确定了本工程的空气阀设置原则。管道气体排出重点考虑了管线充水时管中空气排出以及管线正常运行时,水中会有溶解的空气随着温度的上升或压力下降从管道中析出的气体的排出等边界条件；管道进气重点考虑了管线的放空、瞬变流等情况管线出现负压时,空气需从外部进入管中；管道发生爆管事故时,输水系统将从爆管处大量泄水,可能导致管道内产生真空,需要进行补气；管道检修阀关闭时,可能会在下游产生真空,需要进行补气等。

经综合分析,确定本工程的空气阀的设置原则如下：

a.管线驼峰：设防水锤缓闭空气阀和真空吸气微排阀。

b.长水平管段：设真空吸气微排或复合式空气阀。

c.长下坡管段：设复合式空气阀。

d.长上坡管段：设复合式空气阀或空气或真空吸气微排阀。

e.上坡管线坡度降管段：设复合式空气阀或空气或真空吸气微排阀。

f.下坡管线坡度度升管段：设复合式空气阀或空气或真空吸气微排阀。

1.2 空气阀计算模型及数值计算原理

空气阀数学模型需基于如下假定[1]：

（1） 空气等熵地流入流出空气阀；

（2） 进入管道的空气留在其可以排出的空气阀附近；

（3） 管内的空气遵守等温规律；

（4） 液体的表面高度基本上保持不变,而空气的体积和管段内的液体体积相比很小。

1.2.1 空气阀计算模型

如图2,其中：Qpxi、Qppi分别为时刻to、t流入断面i-i的流量 ；Qi、Qpi为分别为时刻to、t流出断面i-i的流量；Za为空气阀位置高程；V为空穴体积。

图2 空气阀计算模型示意图

按照空气流进、流出空气阀速度不同,空气阀边界条件可分四种情况[1]：

空气以亚音速等熵流进（po> p >0.528po）：

式中：Cin为流入空气阀的流量系数。

当输水管道中不存在空气及水压高于大气压时空气阀接头的边界条件就是Hpi和Qpi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,气体满足恒定的完善气体方程：

1.2.2 空气阀模型数值求解

在t时刻,可以近似得到差分方程：

式中：mo为时刻to空穴中空气质量,kg；o为时刻to流入或流出空穴的空气质量流量,kg； 为时刻t流入或流出空穴的空气质量流量,kg；Δt为时间步长,特征线方法的稳定条件确定,s。

管道相容性方程为：

式中：γW为水体的容重；Za为空气阀位置高程,m；Ha为绝对大气压头,m。

将式（7）和式（8）代入式（6）得：

式中：p是未知量,其余参数结为已知量。

将描述 的函数式（1）至式（4）离散化,从而将式（9）转变成为p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p的近似解。

1.3 空气阀口径计算

空气阀口径确定应结合其功能分别计算确定。本工程各类型空气阀口径确定时分别按照充水工况、检修放空、管道事故工况等情况,并通过水力过渡过程计算,最终确定了空气阀类型及口径。计算中根据各类型空气的功能特点,分别进行了主要边界条件限制,具体如下：

（1）真空吸气微排空气阀：由于真空破坏阀只在负压时进气并不会在压力大于一定值的时候排气的特点,其限定条件为：当管道内压力小于管道中心高程标高值时,发生动作,其他时候不发生动作。

（2）复合式空气阀：根据复合式空气阀的性能特点是在一定压力下会突然起球发生动作,不同位置的空气阀起球压力不同。所以,复合式空气阀的限定条件为：当管道内压力小于空气阀的起球压力时,复合式空气阀发生动作,其他时候不发生动作。对于具有恒速缓冲功能的复核式空气阀,由于增加了缓冲装置,对气流排出速度起到一定的限制作用,排气速度设定为0.3 m/s。

（3）微量排气阀：本工程中微量排气量取管道内流量的2%进行了取值,并分别对微量空气以临界音速排出以及亚音速排出两种情况进行了计算确定。

1.4 空气阀设置距离

综合水力过渡过程计算以及其他类似工程的应用经验,本工程空气阀设置间距如下：在长的水平段管道上每隔400-800 m设置一处微量排气阀或复合空气阀；在长的下坡段管道上每隔380 m~760 m设置一处复合空气阀；在长的上坡段管道上每隔400 m~800 m设置一处真空排气阀。

1.5 空气阀设置方案

根据本工程管线敷设情况及系统设计特点,经计算分析,本工程共设置了复合空气阀、防水锤缓闭空气阀、真空吸气微排阀等各类空气阀112个,具体见表1。

表1 空气阀设置统计

1.6 效果分析

本工程以中间无压隧洞为界,分成两部分,且无压隧洞从功能上类似于一座稳压塔,当发生事故停泵事故时,既可以向上游侧补充一定容积的水,又可向下游侧补充一定容积的水,且无压隧洞内水体容积较大（约3875 m3）,因此,只要使系统在正常运行时,能将管道内产生的气体或气囊及时排出,在系统内局部凸起部位产生负压时能及时消除,便能保证系统安全。经模拟计算,在管路系统沿线分别设置表1所示的各型空气阀后,较好的解决了系统内产生的正压水锤和负压水锤,工程效果较好。

在确定了空气阀设置方案后,对不同运行工况进行了过渡过程复核计算,计算结果显示输水系统中管线正压负压均满足管线校核压力要求,其中高日运行工况下,发生事故停泵时管道系统压力包络线见图3。

图3 剖面图示意图

图3 高日流量事故停泵工况管道系统压力包络线图

2 结语

目前本工程已安全运行超过5年时间,历经了多种供水工况的考验,工程运行状况良好,管路系统中的各类型空气阀运行状况良好,对系统内产生的正压水锤和负压水锤消除效果较好,可为长距离输水工程中空气阀设置方案及应用提供一定的参考。