長(zhǎng)距離輸水工程干線隔斷閥切換過程水力過渡分析

胡穎姝

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

運(yùn)行管理

長(zhǎng)距離輸水工程干線隔斷閥切換過程水力過渡分析

胡穎姝

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng) 110166)

本文以大伙房水庫(kù)長(zhǎng)距離輸水工程為研究對(duì)象，針對(duì)其干線隔斷閥切換過程的水力過渡展開分析，在分析水錘計(jì)算特征相容方程的基礎(chǔ)上對(duì)干線隔斷閥切換過程水力過渡進(jìn)行詳實(shí)具體分析，以期對(duì)輸水工程運(yùn)行確保持續(xù)、有效提供指導(dǎo)。

長(zhǎng)距離輸水工程；隔斷閥切換；水力過渡

大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程輸水系統(tǒng)全長(zhǎng)約253km，屬于大流量、超長(zhǎng)距離輸水工程，采用雙線并行完全重力流供水，以保證輸水的可靠性。由于在兩條管道并行供水過程運(yùn)行工況中，在對(duì)輸配水系統(tǒng)中不同位置閥門進(jìn)行操作時(shí)，造成的水流切換將導(dǎo)致整個(gè)輸配水系統(tǒng)中發(fā)生水力過渡過程，為滿足設(shè)計(jì)要求以及保證輸配水系統(tǒng)安全，對(duì)輸配水系統(tǒng)中不同位置的隔斷閥進(jìn)行操作時(shí)所引起的水力過渡過程進(jìn)行計(jì)算，通過分析其水錘變化，為輸配水系統(tǒng)的安全調(diào)度運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 水錘計(jì)算特征相容方程

描述任意管道中的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本方程為

(1)

(2)

上二式中H——測(cè)壓管水頭；

Q——流量；

D——管道直徑；

A——管道面積；

t——時(shí)間變量；

a——水錘波速；

g——重力加速度；

x——沿管軸線的距離；

f——摩阻系數(shù)；

β——管軸線與水平面的夾角。

式(1)、式(2)可簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計(jì)算特征相容方程。

長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管道AB，對(duì)其兩端點(diǎn)A、B邊界在t時(shí)刻的瞬態(tài)水頭HA(t)、HB(t)和瞬態(tài)流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

(3)

(4)

其中

以上式中Δt——計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)；

ΔL——特征線網(wǎng)格管段長(zhǎng)度，ΔL=aΔt(庫(kù)朗條件)；

k——特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/ΔL；

R——水頭損失系數(shù)，R=Δh/Q2；

其他符號(hào)意義同前。

水力過渡過程計(jì)算一般從初始穩(wěn)定動(dòng)行狀態(tài)開始，即取此時(shí)t=0，因此當(dāng)式中(t-kΔt)<0時(shí)，則令(t-kΔt)=0，即取為初始值。

式(3)、式(4)均只有兩個(gè)未知數(shù)，將其分別與A、B點(diǎn)的邊界條件聯(lián)列計(jì)算，即可求得A、B點(diǎn)的瞬態(tài)參數(shù)。

2 干線隔斷閥切換過程水力過渡分析

2.1 計(jì)算工況說明

為安全起見，特選取在較低水庫(kù)水位119.68m、各凈水廠用水量最大的2月4日進(jìn)行計(jì)算，由于這種工況具有包絡(luò)性特點(diǎn)，即如果這種工況下，隔斷閥的操作可以滿足供水要求，則可認(rèn)為其他工況下系統(tǒng)都能夠滿足各城市的供水要求。

2.2 沈陽(yáng)(2)凈水廠至3號(hào)穩(wěn)壓塔隔斷閥動(dòng)作

沈陽(yáng)(2)凈水廠至3號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥布置見圖1。

圖1 沈陽(yáng)(2)凈水廠至3號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥布置

圖1中，1號(hào)管路長(zhǎng)達(dá)17km，當(dāng)1號(hào)管路安排檢修時(shí)，需要切斷1號(hào)管路水流，具體計(jì)算結(jié)果見表1和圖2～圖5。

表1 沈陽(yáng)(2)凈水廠至3號(hào)穩(wěn)壓塔隔斷閥操作

續(xù)表

圖2 沈陽(yáng)(2)配水站壓力變化過程

圖3 沈陽(yáng)(2)配水站干線流量變化過程

圖4 隔斷閥前后壓力變化過程

圖5 3號(hào)穩(wěn)壓塔水位變化過程

由于1號(hào)管路與2號(hào)管路對(duì)稱，當(dāng)2號(hào)管路檢修時(shí)，可通過操作閥4來切斷水流，其中發(fā)生的水力過渡過程與1號(hào)管路相同。

由表1和圖2～圖5的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)操作沈陽(yáng)(2)凈水廠至3號(hào)穩(wěn)壓塔隔斷閥時(shí)，只要隔斷閥正確操作，操作時(shí)間900s，在管路中不會(huì)產(chǎn)生大的水錘壓力，滿足管道校核內(nèi)水壓標(biāo)準(zhǔn)。但由于隔斷閥切斷水流，導(dǎo)致下游凈水廠供水流量發(fā)生變化，其中遼陽(yáng)凈水廠的供水流量只有原來的65.90%，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(70%)，其他凈水廠的供水流量均能滿足事故水量要求。

2.3 3號(hào)穩(wěn)壓塔至4號(hào)穩(wěn)壓塔隔斷閥動(dòng)作

3號(hào)穩(wěn)壓塔至4號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥布置見圖6。

圖6 3號(hào)穩(wěn)壓塔至4號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥布置

圖6中，1號(hào)管路長(zhǎng)達(dá)22.5km，當(dāng)1號(hào)管路安排檢修時(shí)，需要切斷1號(hào)管路水流，具體計(jì)算結(jié)果見表2和圖7～圖10。

由于1號(hào)管路與2號(hào)管路對(duì)稱，當(dāng)2號(hào)管路檢修時(shí)，可通過操作閥4來切斷水流，其中發(fā)生的水力過渡過程與1號(hào)管路相同。

表2 3號(hào)穩(wěn)壓塔至4號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥操作(900s關(guān)閥) 單位：m3/s

圖7 沈陽(yáng)(2)配水站壓力變化過程

圖8 沈陽(yáng)(2)配水站干線流量變化過程

圖9 隔斷閥前后壓力變化過程

圖10 4號(hào)穩(wěn)壓塔水位變化過程

由表2和圖7～圖10的計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)操作3號(hào)穩(wěn)壓塔至4號(hào)穩(wěn)壓塔的隔斷閥時(shí)，只要隔斷閥正確操作，操作時(shí)間900s，在管路中不會(huì)產(chǎn)生大的水錘壓力，最大動(dòng)水壓力為0.74MPa，滿足管道校核內(nèi)壓標(biāo)準(zhǔn)。但由于隔斷閥切斷水流，導(dǎo)致了下游凈水廠供水流量發(fā)生變化，其中遼陽(yáng)凈水廠的供水流量只有原來的52.30%，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(70%)，其他凈水廠的供水流量均能滿足事故水量要求。

3 結(jié) 論

通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)不同干線上隔斷閥切斷水流后，大部分情況下會(huì)導(dǎo)致其下游某個(gè)凈水廠的供水流量不能滿足事故水量要求，但同時(shí)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙線管道供水，切斷其中一條干線管道后，剩余的另外一條干線管道所輸送水量大部分均超過了原輸送水總量的80%，這一結(jié)果說明不是單線輸送能力的問題，而是下游流量分配不均導(dǎo)致了其下游某個(gè)凈水廠供水流量沒有滿足事故水量要求，只要下游各配水站干線及支線調(diào)流閥適當(dāng)動(dòng)作，重新合理分配各凈水廠水量，當(dāng)干線管道上隔斷閥工作時(shí)，即使單線供水，也基本可以保證下游各凈水廠的事故水量的要求。計(jì)算表明，只要隔斷閥合理操作，緩慢關(guān)閉，在系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)超過管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的水錘，管道內(nèi)沒有負(fù)壓存在。fffffc

[1] 張杰,唐闖進(jìn),劉金昌.長(zhǎng)距離高揚(yáng)程小管徑停泵水錘防護(hù)計(jì)算探討[J].科技風(fēng)，2012(13)：61-62.

[2] 劉國(guó)強(qiáng).長(zhǎng)距離輸水渠系冬季輸水過渡過程及控制研究[D].湖北：武漢大學(xué),2013.

[3] 朱滿林,沈冰,張言禾,等.長(zhǎng)距離壓力輸水工程水錘防護(hù)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(1):40-43.

[4] 吳建廉.金鐘水利樞紐引水配套工程長(zhǎng)距離輸水管道安全措施探討[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2009(11):983-985.

[5] 王藝翔.PCCP管道在長(zhǎng)距離輸水工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2016(5):110-112.

[6] 趙文斌,贠杰.長(zhǎng)距離輸水管線單級(jí)加壓高揚(yáng)程方案在水利工程中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古水利,2016(6):63-64.

[7] 馬俊彬.長(zhǎng)距離輸水工程調(diào)流閥控制技術(shù)探討[J].科技傳播,2014(7):120,105.

[8] 王云倉(cāng).長(zhǎng)距離輸水工程水力仿真與動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)研究開發(fā)[D].天津：天津大學(xué)，2001.

Analysis on Hydraulic Transition During Switching Process of Isolation Valve in Main Line of Long Distance Water Conveyance Project

HU Yingshu

(ConstructionBureauofDahuofangReservoirWaterConveyanceProjectofLiaoning,Shenyang110166,China)

Taking the long distance water conveyance project of Dahuofang Reservoir as the research object, this paper analysis on the hydraulic transition during switching process of isolation valve of its main line. It makes a detailed analysis of the specific hydraulic transition during switching process of isolation valve of the main line based on the analysis of the water hammer calculating characteristic compatibility equation, with the purpose of providing guidance for the continuous and effective operation of water conveyance project.

long distance water conveyance project; switching of isolation valve; hydraulic transition

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.007

TV672.2

A

1673-8241(2017)01- 0020- 04