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      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

      2021-06-16 13:01:10趙維煒
      黑龍江水利科技 2021年5期
      關(guān)鍵詞:排氣量壓閥支洞

      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 110003)

      0 引 言

      我國水利“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,逐步完善國家骨干供水基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。文章通過對(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。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#永久支洞水力過渡過程計(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),無量綱;ε為孔板處空氣的可膨脹性系數(shù),無量綱;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)整閥體開度,同時(shí)通過閥體重錘的位置不同來平衡風(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,一般開啟氣壓差介于5Pa-30Pa,葉片開啟角度最大為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,一般開啟氣壓差介于10Pa-50Pa,,類似于自垂百葉??蚣転闊徨冧\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啟,在本工程中設(shè)計(jì)時(shí)提高了開啟壓力,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。

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