引洮供水工程輸水系統隔斷閥關閉過渡過程分析

李廷彥

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

引洮供水工程輸水系統隔斷閥關閉過渡過程分析

李廷彥

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

天水市城區引洮供水工程全線均為重力流單管供水，且沿線地形復雜，管線起伏較大。供水距離、輸水工況的轉換、管線閥門的啟閉等都會導致輸水系統產生水力瞬變現象，輕則導致管路出現非正常供水，重則導致爆管，破壞整個輸水系統的運行。為了保證整個輸水系統的安全穩定運行，須對隔斷閥進行檢修工況,以及可能發生的爆管危害及相應的爆管事故調查分析，為輸水系統結構布置提供科學依據。

引洮供水；長距離單管輸水；隔斷閥；過渡過程

1 工程概況

天水市城區引洮供水工程為長距離引水工程，輸水設計流量2.1 m3/s，水源取水口為引洮供水工程四干渠末端，以暗渠隧洞再接輸水管道，途經洛門鎮、磐安鎮，馬務村至2#隧洞進口； 2#隧洞進口無壓自流到關子鎮石川村上游2#隧洞出口，此后管線沿藉河入楊家灣調蓄水池輸水進行調蓄。本工程主要建設內容有渠道工程(暗渠、隧洞、倒虹吸)、輸水管道工程和調蓄水池工程三部分。其中暗渠總長5.05 km，倒虹吸2.93 km，隧洞總長15.35 km，管道總長68.93 km，渠線總長92.4 km。本次主要分析2#隧洞出口直接通過分水口進水廠隔斷閥關閉過渡過程，供水方式布置簡圖如圖1所示。

圖1 2#隧洞出口后供水方式簡要布置圖

2 輸水系統隔斷閥關閉過渡過程分析

2.1 水錘計算相關方程

描述任意管道中水流運動狀態的方程為[1-2]：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；A為管道的橫截面積，m2；H為測壓管的水頭，m；x為沿管軸線距離，m；t為時間，s；a為水錘波速，m/s；g為重力加速度，m/s2；β為管道軸線與水平線的夾角，°;f為摩擦阻力系數；D為管道直徑，m。

2.2 檢修工況

當輸水管道需要對某段管道進行檢修時，應該把此段管道用檢修雙向硬密封偏心半球閥或檢修硬密封球閥隔斷，減少水量浪費，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運行[3-4]。管線布置及隔斷閥布置如圖1所示。由圖中可以看出，若需要檢修某段管道，則首先應該關閉1#進水閥、2#調流閥,以及3#調流閥，隨后可將待檢修管段前后隔斷閥在靜水中以120 s一段直線關閥規律關閉。

2.3 爆管工況

2#隧洞出口后將管道分成兩部分：第一段管道為管道進水口至消能箱進水口，全長5.52 km；第二段管道為消能箱出口至管道末端，全長14.533 km，流量取2.1 m3/s。2#調流閥、3#調流閥關閉規律是按照正常工況設定，爆管事故發生后，由于爆管因素的不確定性，為避免因為快關導致二次爆管，這兩處的閥門動作規律應保持不變，雖然相應增加了爆管的水量損失與爆管事故持續時間，但減緩了自身管道的危害。

對于第一段管道(消能箱前部分)，爆管事故發生后，爆管點處壓力降為大氣壓，爆管點處的流量與水錘降壓波的大小取決于其正常工作壓力，正常工作壓力越大，危害越大。由圖2可以看出，最危險爆管點應在第一段管道末端(消能箱進口處)。對于第二段管道(消能箱后部分)，爆管事故發生后，爆管點處壓力降為大氣壓，爆管點處的流量與水錘降壓波的大小取決于其正常工作壓力，正常工作壓力越大，危害越大。由圖3可以看出，最危險爆管點應在樁號174+012.7處，該處管中心線高程1322.95 m。

圖2 第一段管道最危險爆管點示意圖

第一段管道(消能箱前部分)在最危險點發生爆管時，理論上是爆管點上游流量迅速加大、爆管點下游流量迅速減小，但由于消能箱的存在且該點高程較高，爆管點下游不會發生倒流，最后將導致消能箱內漏空[5]。此時需要關閉管道進口閥門1#進水閥和爆管點后2#調流閥以切斷水流，同時為防止消能箱漏空嚴重導致第二段管道的大量進氣，還應同時關閉第二段管道末端3#調流閥。待1#進水閥和2#調流閥關閉后，爆管段水流已被切斷，2#調流閥處檢修雙向硬密封偏心半球閥可在靜水中以120 s關閉規律關閉。1#進水閥應在爆管事故發生時以120 s一段直線關閉規律進行關閉，同時2#、3#調流閥應按正常關閥時閥門關閉規律進行慢關，以防止第一段管道發生二次爆管事故或第二段管道也發生爆管事故。

當第一段管道(消能箱前部分)發生爆管時，爆管點涌出流量變化如圖4所示，爆管點壓力變化如圖5所示；發生爆管后閥門即開始動作，1#進水閥門開度變化如圖6所示。從相關計算可以得出：當第一段管道(消能箱前部分)發生爆管時，短時間內爆管點處最大流量達到7.07 m3/s；事故關閥過程中，第二段管道最大壓力沒有超過管道承壓標準。

第二段管道(消能箱后部分)在最危險點發生爆管時，理論上是爆管點上游流量迅速加大、爆管點下游流量迅速減小并發生倒流。此時需要關閉爆管點前最近的隔斷閥和爆管點后管道末端3#調流閥以切斷水流，同時為防止消能箱溢出，還應同時關閉消能箱進口2#調流閥。降壓波的傳遞將導致第二段管道部分空氣閥大量進氣，最小壓力將維持在大氣壓附近。因爆管點前流量迅速加大，爆管點前隔斷閥關閉時不應關閉過快，否則將產生正水錘發生二次爆管事故[6-7]。經計算隔斷閥擬采用420 s一段直線關閉規律在爆管事故發生時關閉，同時2#、3#調流閥應按正常關閥時閥門關閉規律進行慢關。當第二段管道(消能箱后部分)發生爆管時，爆管點涌出流量變化如圖7所示，爆管點壓力變化如圖8所示；發生爆管后相關閥門即開始動作，爆管點前隔斷閥開度變化如圖9所示，流量變化如圖10所示，壓力變化如圖11所示。

圖3 第二段管道最危險爆管點示意圖

圖4 爆管點流量變化圖

圖5 爆管點壓力變化圖

圖6 進水閥開度變化圖

圖7 爆管點流量變化圖

圖8 爆管點壓力變化圖

圖9 隔斷閥開度變化圖

圖10 隔斷閥流量變化圖

圖11 隔斷閥壓力變化圖

從相關計算圖中可以看出：當第二段管道(消能箱后部分)發生爆管時，短時間內爆管點處最大流量達到5.86 m3/s；事故關閥過程中，第二段管道隔斷閥前部分最大壓力沒有超過管道承壓標準。

3 結 論

若需要檢修管道，則首先應該關閉1#進水閥、消能箱進口2#調流閥以及管道末端3#調流閥，隨后可將待檢修管段前后隔斷閥在靜水中以120 s一段直線關閥規律關閉。相關計算結果表明，合理的調度能夠防止事故擴大，避免次生災害發生，建議在爆管事故發生時，消能箱進口2#調流閥及管道末端3#調流閥仍按照正常檢修時擬定的慢關規律進行。若爆管事故發生在消能箱前，則應在爆管事故發生時，同時關閉1#進水閥門(120 s一段直線關閉規律)、2#調流閥及3#調流閥；若爆管點發生在消能箱后，則應在爆管事故發生時，同時關閉爆管點前最近的隔斷閥(420 s一段直線規律)、消能箱進口2#調流閥以及管道末端3#調流閥。

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Analysis on shutdown transition process of water diversion system block valve in Taohe River water supply project

LI Tingyan

(GansuInstituteofWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesign,Lanzhou730000,China)

The Taohe River water supply project at the urban section of Tianshui City is all gravity flow water supply by single pipeline, and the terrain along the pipeline is complex, the pipeline fluctuation is large. The change of water supply distance, switch of water diversion condition and the opening and closing of pipeline valve will cause the water diversion system to produce a phenomenon of hydraulic transient, ranging from water supply pipeline appearing abnormal, heavy damage is pipe burst, destroying the whole water supply system operation. In order to ensure the safe and stable operation of the whole water supply system, the conditions of the shutdown valve must be overhauled, and the pipe explosion hazard and the corresponding accident that might occur must be investigated and analyzed to provide scientific basis for the water diversion system structure arrangement.

Taohe River water supply project; long distance water diversion by single pipeline; shut down valve; transition process

李廷彥(1982-)，男，甘肅古浪人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。E-mail：bao_hello@163.com。

TV213

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2096-0506(2017)06-0040-05