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南水北调中线大型输水系统空气阀性能与运行分析
戚兰英1,刘勇1,谢明利2
(1.北京市水利规划设计研究院,北京100048;2.北京市南水北调工程建设管理中心,北京100036)
摘要水北调中线工程(北京段)大型管道输水系统惠南庄一大宁段全长约56.40 km,泵站加压
输水结合小流量自流,运行工况复杂,压力变幅大。文中对长距离输水管道空气阀性能、运行方式、 实物性能测试等进行分析论证,以保证压力输水管线安全、可靠、高效运行。
关键词 南水北调中线工程;大型输水系统;空气阀;性能测试;安全经济运行
1 工程概况
南水北调中线工程(北京段)惠南庄一大宁输 水干线上接惠南庄泵站,下接大宁调压池,采用 双排4 m PCCP管,全长约56.4 km,占南水北调 北京段总干渠长度的70%。主要建筑物包括输水
干管、压力隧洞、分水口、连通井、出13阀井、 排水等设施,为大口径长距离大流量有压输水管道工 程。泵站设计流量为60 m3/s,当流量小于20 m3/s 时采用自流,管线压力较低;当流量在20—60
m3/s 范围运行时,启动泵站加压输水,扬程变幅26.52— 58.20 m达2.2倍。另外,PCCP管线沿途设5处分水口,不同的分流造成管线运行工况变化。管线运行
工况复杂,压力变幅大,最低工作压力仅为2 m水 头,要求空气阀工作适应性强,要充分考虑长距离输 水管道发生破坏性水锤事故的复杂性及其特点,在输 水管道初期充水、正常运行、事故情况下能否及时排
气、补气,对管道安全运行至关重要。为保证管路的 安全稳定输水,根据线路的地形特点,在管线纵坡起 伏变化的最高处,过河下置管道的上下游侧,长距离无折点上升、下降管段及长距离平直管段,布置一定
数量的空气阀。
2 空气阀运行
(1)初期充水管道运行。充水和放空是管路运行 的两种极限状态,合适的充水流速,可防止空气阀关 阀水锤及适当缩短空管充水时间,这种充水速度必须 是可控的,以便将水击和浪涌限制在最低程度,使水
流完全充满管道而没有空气滞留。该工程输水管线为 大口径长距离输水管,初期充水管道能否安全运行,其 关键是空气阀的大量排气孔口要适中。针对设置的空气 阀,初期充水的流速控制参考国外文献AwwA?,
管道以等于满管流速0.3 m/s或更小的速度充水,将 不会发生由水锤造成的管道破坏。为减少管内剩余空 气和避免发生水锤破坏,任何情况下充水流速不应超 过0.6
m/s,充水过程中需防止高速孔口吹堵。太低 流速带不走管道存气,不利于管道排气,也使充水 时间过长;太高的流速可能使管道充水速度大于排 气速度,造成气堵,引起压力震荡。惠南庄泵站一
大宁调压池段初期充水的流速控制在以等于满管流 速0.3 m/s或更小,相当于等于满管流量3.77 m3/s, 可通过控制输水管道末端阀门,控制空气背压,使其 越大充水越慢,更偏于安全。全线进行分段充水,使
管道顺畅排气,以保证充水速度和效率。 管道顺畅排气,以保证充水速度和效率。
(2)正常运行时进排气功能。如果管线排气不畅 造成气堵,在管线正常运行及调节期间有可能产生破 坏性水锤。当管道存气长期不能排出,会产生持续不 断的压力震荡,一定量的气体发生突然聚积,迅速截
断管道过水断面,极易发生水柱中断,产生断流弥合 水锤BJ。由于惠南庄泵站需根据总干渠来水和北京 市用水需求进行流量调节,采用变频调速变工况交替 运行,空气阀的进排气量必须满足管道在不同工作压
力下的运行要求,且工作可靠。惠南庄一大宁段管道 高点及较平直段各处空气阀具有足够的微量排气能 力,保证管线不因存气而影响管线的输水效率、降低 输水能力及增加水头损失、增大水泵能耗。
(3)事故及检修状态。事故情况及管道检修排 水时,空气阀的补气量要满足管线负压值的限制要 求。事故停电或停泵时防止断流弥合水锤;事故及 检修放空时有足够的高速吸气能力,保证负压值高
于一35 kPa并允许快速放空。在管道放空时,必须 大量吸入空气以置换排出的水体,以防止产生真空 和水柱分离。
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