長距離有壓輸水管道閥門關(guān)閉規(guī)律研究

□康迎賓　□張學(xué)林　□徐楊洋（華北水利水電大學(xué)）

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長距離有壓輸水管道閥門關(guān)閉規(guī)律研究

□康迎賓□張學(xué)林□徐楊洋（華北水利水電大學(xué)）

摘要:長距離有壓輸水工程中的水錘壓力，是影響供水工程安全運(yùn)行的重要因素之一，末端閥門的關(guān)閉引起的水錘問題是最常見而又最突出。針對長距離有壓輸水管道末端閥門關(guān)閉引起的水錘問題，以特征線法為理論基礎(chǔ)，以南水北調(diào)中線某配套工程有壓輸水管線為例，分別對該管線末端閥門在直線關(guān)閥和先快后慢兩階段關(guān)閥兩種工況下的水錘壓力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對末端閥門的關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果表明，優(yōu)化閥門的關(guān)閉規(guī)律可有效的降低長距離有壓輸水管道系統(tǒng)的水錘壓力。

關(guān)鍵詞:壓力管道；閥門關(guān)閉規(guī)律；水錘計(jì)算；優(yōu)化分析

0　前言

近年來，長距離輸水工程在中國日漸增多，所用的輸水方式以有壓輸水管道居多，尤其隨著南水北調(diào)工程配套工程的建設(shè)，其運(yùn)用越來越廣。在長距離有壓輸水管道工程中，末端閥門的關(guān)閉引起的水錘問題是最常見而又最突出。對長距離有壓管道系統(tǒng)，一般采用裝設(shè)調(diào)壓塔和空氣閥等進(jìn)行水錘防護(hù)。同時(shí)，正確的分析和計(jì)算壓力管道的水錘，對提高壓力管道設(shè)計(jì)水平、確保系統(tǒng)安全運(yùn)行具有十分重要的意義。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合南水北調(diào)中線某配套工程有壓輸水管線，通過對末端閥門的關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化分析，確定閥門的最優(yōu)關(guān)閉規(guī)律，以降低有壓輸水管道系統(tǒng)中的水錘壓力。

1　水錘計(jì)算的特征相容方程

水錘基本方程理論基礎(chǔ)是水流動的力學(xué)規(guī)律和連續(xù)原理，是水力過渡過程分析研究的基礎(chǔ)。它包含以微分方程表示的運(yùn)動方程和連續(xù)方程，反映了在水力過渡過程中不穩(wěn)定水流的流速和水頭的變化規(guī)律，水錘基本方程表達(dá)式如下：

式中：H為測壓管水頭；Q為流量；D為管道直徑；A為管道面積；t為時(shí)間變量；a為水錘波速；g為重力加速度；x為沿管軸線的距離；f為摩阻系數(shù)；β為管軸線與水平面的夾角。

式（1）、（2）可簡化為標(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。

對于長度L的管道A—B，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：

其中：CM=HB(t-kΔt)-(a/gA)QB(t-kΔt)；RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；CP=HA(t-kΔt)-(a/gA)QA(t-kΔt)；Rp=a/gA+R|QA(t-kΔt)|。

式中：Δt為計(jì)算時(shí)間步長；ΔL為特征線網(wǎng)格管段長度，ΔL=aΔt（庫朗條件）；k為特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/ΔL；R為水頭損失系數(shù)，R=Δh/Q2；其它符號意義同前。

水力過渡過程計(jì)算一般從初始穩(wěn)定狀態(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）、（4）均只有兩個未知數(shù)，將其分別與A、B節(jié)點(diǎn)的邊界條件聯(lián)列計(jì)算，即可求得A、B節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)參數(shù)。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

南水北調(diào)中線配套某輸水工程采用有壓重力流，有壓輸水管線起始于分水口門，終止于末端水廠，全長26.03 km，設(shè)計(jì)流量0.50 m3/s，管徑700 mm，采用球墨鑄鐵管。輸水管線進(jìn)口設(shè)計(jì)水位126.93 m，進(jìn)口處壓力管道中心高程122.15 m；末端水廠水位84.55 m，出口壓力管道中心高程78.22 m。

有壓輸水管線沿線設(shè)53個空氣閥和3個水錘消除器；主干線進(jìn)口設(shè)控制閥，末端水廠設(shè)調(diào)流閥。工程管線布置如圖1所示。

圖1　工程管線布置圖　（單位：m）

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1計(jì)算斷面的選取

設(shè)定末端閥門關(guān)閉規(guī)律分別為勻速100 s關(guān)閥、勻速300 s關(guān)閥、勻速500 s關(guān)閥和勻速700 s關(guān)閥，計(jì)算有壓管道沿線的水錘壓力，結(jié)果如圖2勻速100 s關(guān)閥圖所示（勻速300 s關(guān)閥、勻速500 s關(guān)閥和勻速700 s關(guān)閥圖略）。

圖2　勻速100s關(guān)閥圖

由圖2分析可知，有壓管道的水錘壓力最大處位于距分水口門24.94km處，此處為穿河倒虹吸，因此選該斷面作為計(jì)算斷面。

2.2.2勻速關(guān)閉規(guī)律的分析

分別對勻速100 s關(guān)閥、勻速300 s關(guān)閥、勻速500 s關(guān)閥和勻速700 s關(guān)閥這幾種工況下該斷面的最大水錘壓力隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3勻速100 s關(guān)閥圖所示（勻速300 s關(guān)閥、勻速500 s關(guān)閥和勻速700 s關(guān)閥圖略）和表1所示。

圖3　勻速100 s關(guān)閥圖

表1　不同關(guān)閥時(shí)間下管道最大壓力值表

由圖3和表1可知，閥門關(guān)閉時(shí)間越長，最大水錘壓力越小；但隨著閥門關(guān)閉時(shí)間的逐漸延長，所產(chǎn)生的最大水錘壓力得降幅會越來越小。

2.3先快后慢兩階段關(guān)閉規(guī)律的分析

選擇500 s作為基準(zhǔn)關(guān)閥時(shí)間以研究先快后慢兩階段關(guān)閥方式下的最大水錘壓力。選擇先快關(guān)70s，快關(guān)階段閥門的關(guān)閉量為80%，然后再慢關(guān)至500 s全部關(guān)閉。通過水錘計(jì)算，可得該斷面處的最大水錘壓力為65.28 m H2O，此時(shí)該斷面處壓力隨時(shí)間變化見圖4所示。由此可知，相比勻速關(guān)閥，采用先快后慢兩階段關(guān)閥，最大水錘壓力有明顯的下降。

2.4先快后慢兩階段關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化。

在上述先快后慢兩階段關(guān)閉規(guī)律計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用控制變量法，分別對快關(guān)階段關(guān)閉時(shí)間和閥門關(guān)閉量進(jìn)行計(jì)算分析。

固定快關(guān)階段的閥門關(guān)閉量為80%，對快關(guān)階段不同的關(guān)閥時(shí)間進(jìn)行水錘計(jì)算，結(jié)果見表2和圖5。

對表2和圖5計(jì)算結(jié)果分析可知，固定快關(guān)階段的關(guān)閉量，針對該階段不同的關(guān)閥時(shí)間，快關(guān)時(shí)間越短，最大水錘壓力越小。

圖4　先快后慢兩階段關(guān)閥下管道最大壓力隨時(shí)間的變化圖

表2　快關(guān)階段不同關(guān)閥時(shí)間的計(jì)算結(jié)果表

圖5　快關(guān)階段不同關(guān)閥時(shí)間的計(jì)算結(jié)果分析圖

固定快關(guān)階段的關(guān)閥時(shí)間為50 s，對快關(guān)階段的不同關(guān)閉量進(jìn)行水錘計(jì)算，結(jié)果見表3和圖6。

表3　快關(guān)階段不同閥門關(guān)閉量的計(jì)算結(jié)果表

圖6　快關(guān)階段不同閥門關(guān)閉量的計(jì)算結(jié)果分析圖

對表3和圖6計(jì)算結(jié)果分析可知，固定快關(guān)階段的關(guān)閥時(shí)間，對該階段不同的閥門關(guān)閉量，其最大水錘壓力也不同，存在最小值。快關(guān)階段的關(guān)閥時(shí)間為50 s，閥門關(guān)閉量為85%時(shí)，最大水錘壓力最小，為61.17 mH2O。

3　結(jié)語

對長距離有壓輸水管道系統(tǒng)，可通過控制閥門的關(guān)閉規(guī)律來降低系統(tǒng)最大水錘壓力。通過上述分析，可得出以下結(jié)論：①閥門的關(guān)閉時(shí)間越長，最大水錘壓力越小，但隨著閥門關(guān)閉時(shí)間的逐漸延長，所產(chǎn)生的最大水錘壓力得降幅會越來越小。②采用先快后慢兩階段關(guān)閥，可有效降低最大水錘壓力。③采用先快后慢兩階段關(guān)閥時(shí)，快關(guān)階段的關(guān)閥時(shí)間越短，最大水錘壓力越小；對于不同的閥門關(guān)閉量，其最大水錘壓力也不同，存在最小值，需要通過具體計(jì)算得出最小值。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

收稿日期：2016-01-13

中圖分類號：TV672. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號; 1673-8853(2016)03-0068-02