基于末端閘門控制的長距離大管徑供水管線水力過渡過程的研究

張正陽

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 工程概述

某工程供水管線工程由進水池向出水池（水廠前池）供水。進水池水位95.3m，出水池水位為78.73m，設(shè)計流量約25m3/s。供水線路長約15 km，管徑3.6m，其中埋地鋼管長約11.8km，隧洞長約3.5km。供水管線主要建筑物及設(shè)施包括埋地鋼管、隧洞段、交叉建筑物、進/出口區(qū)域蓄水池、末端閘門等，其中輸水管線中水流的輸送與切斷由管線末端閘門控制。

2 過渡過程計算

2.1 計算方法

本項目利用Bentley Hammer軟件進行計算，計算原理基于管線內(nèi)點的水錘基本方程、水柱分離模型及其他過流部件計算模型，利用帶插值的特征線法進行處理計算。

2.2 穩(wěn)態(tài)計算

通過穩(wěn)態(tài)計算可知，得出當(dāng)進水池、出水池處于設(shè)計水位時，管線通過流量26.27m3/s，管道流速2.58m/s，管線最高壓力41.72mH2O（樁號3+388）。穩(wěn)態(tài)運行工況下的水力坡度包絡(luò)線、壓力包絡(luò)線如圖1，圖2。

圖1 穩(wěn)態(tài)水力坡度線

圖2 穩(wěn)態(tài)管內(nèi)壓力線

2.3 閘門關(guān)閉、開啟過渡過程對比

結(jié)合螺桿啟閉機制造行業(yè)的整體水平，螺桿啟閉機電動啟閉的速度約為0.2~0.3m/min，手動啟閉速度約為0.01~0.016m/min。若采用閘門一段電動關(guān)閉，為優(yōu)化整個管線過渡過程，用啟閉機速度較小值0.2m/min作為關(guān)閉/開啟速率標(biāo)準(zhǔn)，豎向孔口尺寸為3.6m，關(guān)閉/開啟時間為18min。閘門關(guān)閉/開啟規(guī)律如圖3。

圖3 閘門18m in一段關(guān)閉/開啟規(guī)律

閘門關(guān)閉/開啟過渡過程水力坡度包絡(luò)線如圖4。由計算結(jié)果可知，閘門18min一段關(guān)閉工況中，供水系統(tǒng)出現(xiàn)彌合水錘，最高瞬時壓力達到128.73mH2O，遠遠超出管線承壓能力，最低瞬時壓力達到汽化壓力，幾乎全線拉斷；閘門18min一段開啟工況中，管道最高瞬時壓力達到54.48mH2O，最低瞬時壓力達到汽化壓力，大段管線出現(xiàn)嚴(yán)重負壓。因此考慮優(yōu)化閘門關(guān)閉規(guī)律。

圖4 閘門18m in一段關(guān)閉/開啟管線水力坡度線

2.4 閘門關(guān)閉/開啟規(guī)律優(yōu)化

結(jié)合目前閘門啟閉機的普遍制造水平，同時綜合考慮工程總體布置及實際情況，選用10min+25min兩段關(guān)閉/開啟（拐點10開度）的關(guān)閉規(guī)律作為對比工況（關(guān)閉規(guī)律如圖5），進行計算，此時工作閘門為電動與手動操作相結(jié)合。具體操作如下：關(guān)閉閘門時，10min電動關(guān)閉閘門開度的前90%，剩余10%開度利用25min手動關(guān)閉；開啟閘門時，手動25min開啟閘門最后10%開度，再利用10min電動開啟剩余閘門開度的90%。

圖5 閘門兩段關(guān)閉/開啟曲線

閘門關(guān)閉/開啟過渡過程水力坡度包絡(luò)線、壓力包絡(luò)線如圖6，圖7。工作閘門采用10min+25min兩段關(guān)閉時，管道最高瞬時壓力達45.98mH2O，出現(xiàn)在樁號3+388處，為輸水管線的低洼位置，最低瞬時壓力0.59mH2O，出現(xiàn)在進水閘門前，管路最高瞬時壓力、最低瞬時壓力均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；工作閘門采用25min+10min兩段開啟時，管道最高瞬時壓力達到45.41mH2O，出現(xiàn)在樁號3+388處，為輸水管線的低洼位置，最低瞬時壓力為0.61mH2O，出現(xiàn)在進水閘門前，管路最高瞬時壓力、最低瞬時壓力均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 閘門25m in+10m in兩段關(guān)閉/開啟管線水力坡度線

圖7 閘門25m in+10m in兩段關(guān)閉/開啟管線壓力包絡(luò)線

3 結(jié)語

（1）末端由閘門控制的長距離、大流量自流管線，相較于閥控自流管線，水錘問題更加突出。這是由于閘門的流量開度特性造成的：閘門流量特性通常相較蝶閥、調(diào)流閥等閥門而言，小開度時流量系數(shù)變化較大。因此閘門的關(guān)閉規(guī)律的選取尤為重要。

（2）對于重力流管線的關(guān)閥水錘有多種解決方式，如加裝彌合式水錘預(yù)防閥，超壓泄壓閥等水力防護措施，而在其中最經(jīng)濟、最有效的方式就是在工藝及工程運行調(diào)度允許的情況下，改變閘門關(guān)閉/開啟規(guī)律，如使用兩段關(guān)閉模式，增長其小開度關(guān)/開時間。