吉林省中部城市引松供水工程華能支線水力過渡過程研究

鄒玉濤

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 引言

吉林省中部城市引松供水工程華能支線引自吉林省中部城市引松供水工程德惠支線應(yīng)急供水管線樁號為7＋271.5m 處。華能支線供水工程向華能熱電廠和國電吉林龍華長春熱電一廠供水，在華能支線樁號10700m 處分水供國電吉林龍華長春熱電一廠。長春華能熱電廠的工程建設(shè)為2×350MW機組，最大耗水量為1435m3／h即3.444萬m3／d，考慮管線的漏失量，并考慮適當?shù)母辉?，按照華能熱電廠的要求設(shè)計水量確定為4.0萬m3／d。國電吉林龍華長春熱電一廠工程建設(shè)為2×300MW 機組，最大耗水量均為1660m3／h 即3.98萬m3／d。因此輸水管線的總設(shè)計水量為：8.0萬m3／d。

由于工程引自德惠支線，而德惠支線又引自玉米園支線工程，故計算要考慮整個系統(tǒng)，即當玉米園支線工程的水泵斷電情況、正常運行、華能支線管線末端閥門關(guān)閉等工況。

2 基本理論方程

在長距離輸水工程中，各元件之間主要由管道連接，封閉管道中的水力瞬變情況主要與管道材料特性及其壓力變化的激烈程度有關(guān)，一般研究主要為小變形剛性管道及一般在動態(tài)過程中不允許出現(xiàn)水柱分離為原則建立模型。

2.1 運動方程

2.2 連續(xù)方程

2.3 特征線方程

用特征線法將偏微分方程變成特殊的全微分方程，然后對全微分方程進行積分得到便于數(shù)值計算的有限差分方程。

將方程（1）及（2）分別寫成：

采用特征線法，將式（3）及（4）偏微分方程轉(zhuǎn)換成下述兩對常微分方程：

取△x＝△ta，則在x，t平面上可得矩形網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中C＋，C－特征線與網(wǎng)絡(luò)線的對角線平行。此時特征線方程（5）和（6）可由如下兩方程表示：

圖1 解單管問題的XT 網(wǎng)絡(luò)

3 水力過渡過程計算的目的和意義

3.1 水力過渡過程計算的目的

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB／T 50265－97），有可能產(chǎn)生水錘危害的泵站，在各設(shè)計階段均應(yīng)進行事故停泵水錘計算。在可行性研究階段，允許采用簡易圖解法計算；在初步設(shè)計階段及施工圖階段宜采用特征線法或其它精度比較高的計算方法進行計算。當水泵機組事故失電時，管道系統(tǒng)將產(chǎn)生水錘（包括正壓水錘和負壓水錘）以及機組逆轉(zhuǎn)。水錘壓力的大小是管路系統(tǒng)的重要設(shè)計依據(jù)之一。充分了解水泵在失去動力后管路系統(tǒng)各參數(shù)的變化情況，并采取必要的防護措施，確保機組及管路系統(tǒng)的安全，是泵站設(shè)計的重要內(nèi)容。在計算供水工程的瞬變過程，應(yīng)滿足下列要求：管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂或出現(xiàn)不允許的負壓；防止最大水錘壓力對管道及管道附件的破壞。

3.2 水力過渡過程計算的意義

通過數(shù)值計算方法來模擬各種工況條件下輸水管路系統(tǒng)的水錘狀況，包括壓力、機組反轉(zhuǎn)速、流量等，分析各種工況下水錘壓力升高情況，從而確定合理的水錘防護措施，對系統(tǒng)運行提出合理化建議，為工程安全運行提供理論數(shù)據(jù)。

4 水力過渡過程計算分析

（1）當玉米園取水泵站水泵事故斷電時，由水泵出口閥門正常關(guān)閉工況水力過渡過程計算的輸水管線的水擊包絡(luò)線可以看出，在管線局部地方出現(xiàn)負壓，說明空氣閥是必須設(shè)置的，設(shè)置了空氣閥后能有效地解決負壓問題，當系統(tǒng)出現(xiàn)負壓時，空氣閥動作向管路補氣，各節(jié)點正壓水錘不大。

（2）當玉米園取水泵站水泵事故斷電時，水泵出口閥門正常關(guān)閉，由華能支線末端閥門關(guān)閉工況下的水力過渡過程計算的水擊包絡(luò)線可以看出，在此工況下，華能段的水擊壓力升高值及負壓均很大，說明管線末端的閥門在玉米園取水泵站水泵事故斷電時是不能關(guān)閉的，否則會引起管線發(fā)生水錘，嚴重引起爆管。由分水節(jié)點處的水力過渡過程壓力變化歷時曲線可以看出水錘波動很劇烈。

（3）當玉米園取水泵站水泵正常運行時，由華能支線末端閥門關(guān)閉工況下的水力過渡過程計算的水擊包絡(luò)線可以看出在此工況下，華能段的部分管段水擊壓力升高值很大，說明管線末端的閥門在玉米園取水泵站水泵正常運行時是不能關(guān)閉的，否則會引起管線發(fā)生水錘，嚴重引起爆管。

由分水節(jié)點處的水力過渡過程曲線可以看出，由于輸水管道中間有分水節(jié)點，故水錘壓力瞬間升高后回落。

5 結(jié)語

應(yīng)用特征線法對華能支線工程進行了水力過渡過程分析計算，從而得出以下結(jié)論。

當管線中間尤其是高點處不設(shè)置空氣閥，則局部地方會產(chǎn)生很大的負壓，實際上，當負壓超過液柱分離壓時，在有壓管道中會發(fā)生液柱分離，分離液柱彌合會產(chǎn)生巨大的正壓破壞，這是不允許的，必須通過在管道沿線布置空氣閥來控制負壓。

通過對管道末端閥門關(guān)閉水泵不停機工況和水泵事故失電工況的計算表明，由于系統(tǒng)沿線管道較長，輸水系統(tǒng)的控制點在玉米園輸水段，閥門關(guān)閉時水泵仍在運行或事故停機，華能末端閥門關(guān)閉時會出現(xiàn)較大的壓力上升。所以，根據(jù)計算結(jié)果，在泵站運行或事故停機時，華能支線供水主管末端閥門不能關(guān)閉，該閥門只能在系統(tǒng)停運檢修管路時關(guān)閉。

1 陳乃祥.水利水電工程的水力瞬變仿真與控制［M］.北京：中國水利水電出版社.2005.

2 金錐，姜乃昌 等.停泵水錘及其防護（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

3 楊開林.電站與泵站中的水力瞬變及調(diào)節(jié)［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.