長(zhǎng)距離輸水管線水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析

鄭元偉

(中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司，成都 610000)

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線,當(dāng)管線中流量發(fā)生變化或管線在輸水過(guò)程中發(fā)生事故時(shí),長(zhǎng)距離輸水管線中水流流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)條件即被破壞,管道內(nèi)的水流狀態(tài)由穩(wěn)態(tài)變成非穩(wěn)態(tài)。在水流由非穩(wěn)態(tài)恢復(fù)到新穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中,輸水管線中水流的各項(xiàng)水力參數(shù)隨時(shí)間而產(chǎn)生急劇變化,其變化程度往往超出恒定流的設(shè)計(jì)范圍,從而對(duì)輸水系統(tǒng)造成非常不利的影響,當(dāng)這一變化速度過(guò)快時(shí),就會(huì)導(dǎo)致輸水管線管材結(jié)構(gòu)的破壞,甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重的漏水事故。因此，系統(tǒng)研究輸水系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程,對(duì)于輸水工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行很有必要。張學(xué)林[1]對(duì)長(zhǎng)距離有壓輸水管道進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程研究；孫江河[2]等探討了長(zhǎng)距離輸水管道水力過(guò)渡過(guò)程中的控制指標(biāo)；黃昌清[3]通過(guò)過(guò)程實(shí)例分析了長(zhǎng)距離高水頭輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程；南云朋[4]等分析了長(zhǎng)距離多級(jí)串聯(lián)增壓輸水管道水力過(guò)渡與水錘防護(hù)措施；楊暉[5]等對(duì)水電站水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算研究；王素英[6]等通過(guò)具體工程實(shí)例進(jìn)行輸水管道水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析；白綿綿[7]等分析了旁通閥對(duì)長(zhǎng)距離重力流輸水管線水力過(guò)渡過(guò)程的影響；張建勛[8]等基于C平臺(tái)研究水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算；周天馳[9]等基于Hysimcity進(jìn)行復(fù)雜重力流供水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程分析與水錘防護(hù)設(shè)計(jì)。

輸水系統(tǒng)的水力過(guò)渡過(guò)程是非常復(fù)雜的非線性變化過(guò)程。本文針對(duì)葫蘆島長(zhǎng)距離輸水管線工程，對(duì)輸水系統(tǒng)的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行研究，主要研究最大壓力關(guān)閥與最小壓力工況下開(kāi)閥的時(shí)間計(jì)算，分析閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間對(duì)輸水系統(tǒng)最大壓力的影響。

1 計(jì)算理論和方法

1.1 有壓管道非恒定流數(shù)學(xué)模型和特征線法

有壓管道非恒定流基本方程見(jiàn)式(1)、式(2)：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：H為以某一水平面為基準(zhǔn)的測(cè)壓管水頭；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；Ax為管道斷面面積隨X軸線的變化率；θ為管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角；S為濕周；f為Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；a為水擊波傳播速度。

式(1)和式(2)是一組擬線性雙曲型偏微分方程，可采用特征線法將其轉(zhuǎn)化為兩個(gè)在特征線上的常微分方程，見(jiàn)式(3)、式(4)：

(3)

(4)

式(3)、式(4)沿特征線C+和C-積分，其中摩阻損失項(xiàng)采取二階精度數(shù)值積分，并用流量代替斷面流速，整理后可得式(5)、式(6)：

C+：QP=QCP-CQP·HP

(5)

C-：QP=QCM+CQM·HP

(6)

1.2 閥門(mén)數(shù)學(xué)模型

水廠進(jìn)閥門(mén)的過(guò)流量見(jiàn)式(7)：

(7)

式中：Q11為閥門(mén)單位流量；Df為閥門(mén)直徑；Hf為閥門(mén)前后水壓力差。

2 計(jì)算模型和特征參數(shù)

葫蘆島長(zhǎng)距離輸水管線工程主要由水庫(kù)向規(guī)劃水廠供水，供水管線由一條輸水干線組成，為有壓重力流。其中，輸水干線全長(zhǎng)42.505 km，設(shè)計(jì)輸水流量1.215 m3/s，輸水系統(tǒng)由鋼管和PE管組成。為保證運(yùn)行過(guò)程中供水目標(biāo)的水量變化，實(shí)時(shí)調(diào)整管道輸水流量，管道末端設(shè)置一臺(tái)調(diào)流閥。輸水系統(tǒng)簡(jiǎn)要布置見(jiàn)圖1。

圖1 重力流輸水系統(tǒng)簡(jiǎn)要布置

長(zhǎng)距離重力流輸水系統(tǒng)中，往往在靠近上游水庫(kù)的高點(diǎn)設(shè)置雙向調(diào)壓塔或調(diào)壓水箱穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，改善輸水系統(tǒng)的運(yùn)行條件。在平面樁號(hào)K3+870處設(shè)置一個(gè)5 m3的調(diào)節(jié)氣壓，氣壓罐的氣壓壓力為0.6 MPa，含橡膠氣囊，罐體設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa。

3 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析

3.1 最大壓力工況關(guān)閥計(jì)算

供水工程的最高水位取水庫(kù)校核洪水位77.01 m，采用一段直線關(guān)閉規(guī)律，分別取關(guān)閥時(shí)間180、240和360 s進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)校核洪水位時(shí)管道不同直線關(guān)閉規(guī)律的最大壓力

各關(guān)閉規(guī)律下的壓力線見(jiàn)圖2-圖7。圖中紅色曲線為最大壓力線，綠色曲線為輸水系統(tǒng)初始?jí)毫€,藍(lán)色曲線為輸水系統(tǒng)最小壓力線。

圖2 180 s一段直線關(guān)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖3 240 s一段直線關(guān)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖4 360 s一段直線關(guān)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖5 180 s一段直線關(guān)閥-有調(diào)節(jié)設(shè)施

圖6 240 s一段直線關(guān)閥-有調(diào)節(jié)設(shè)施

圖7 360 s一段直線關(guān)閥-有調(diào)節(jié)設(shè)施

3.2 最小壓力開(kāi)閥計(jì)算

供水工程的最低水位取水庫(kù)死水位45.74 m，采用一段直線開(kāi)啟規(guī)律，分別取開(kāi)閥時(shí)間180、240和360 s進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)死水位時(shí)管道不同直線關(guān)閉規(guī)律的最大壓力

續(xù)表2

各關(guān)閉規(guī)律下的壓力線見(jiàn)圖8-圖13。圖中藍(lán)色曲線為最小壓力線，綠色曲線為輸水系統(tǒng)初始?jí)毫€，紅色曲線為輸水系統(tǒng)最大壓力線。

圖8 180 s一段直線開(kāi)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖9 240 s一段直線開(kāi)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖10 360 s一段直線開(kāi)閥-無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施

圖12 240 s一段直線開(kāi)閥-有調(diào)節(jié)設(shè)施

圖13 360 s一段直線開(kāi)閥-有調(diào)節(jié)設(shè)施

4 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果

4.1 關(guān)閥過(guò)程

1) 根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離工程技術(shù)規(guī)程》(CECS 193)要求，水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過(guò)1.3～1.5倍最大工作壓力。輸水系統(tǒng)上游水庫(kù)最高水位為77.01 m，水廠進(jìn)水池水位為11.62 m，最大控制壓力為85.00 mH2O，但葫蘆島輸水管線工程PE管采用的公稱壓力為0.8 MPa，根據(jù)規(guī)范要求，須預(yù)留0.2～0.4 MPa安全余量，故將輸水系統(tǒng)最大壓力控制在60 mH2O以下。考慮到輸水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，將大于60 mH2O的局部管段替換為公稱壓為力1.0 MPa的PE管或鋼管，以保證輸水系統(tǒng)的安全性、可靠性。

2) 對(duì)已設(shè)置防護(hù)措施，不同閥門(mén)關(guān)閉規(guī)律的水錘計(jì)算進(jìn)行分析后可得，現(xiàn)有防護(hù)設(shè)備可滿足系統(tǒng)最大輸水壓力的控制要求，閥門(mén)的關(guān)閉規(guī)律為：360 s一段直線關(guān)閉。

4.2 開(kāi)閥過(guò)程

1) 根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離工程技術(shù)規(guī)程》(CECS 193)要求，輸水系統(tǒng)應(yīng)消除斷流及斷流彌合水錘的危害，全輸水系統(tǒng)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)負(fù)壓。以上游水庫(kù)最低水位作為控制工況，可得輸水系統(tǒng)PE管段最小壓力大于0，鋼管段最小壓力大于-2mH2O。

2) 對(duì)已設(shè)置防護(hù)措施，不同閥門(mén)開(kāi)啟規(guī)律的水錘計(jì)算進(jìn)行分析后可得，現(xiàn)有防護(hù)設(shè)備可滿足系統(tǒng)最小壓力的控制要求，閥門(mén)的開(kāi)啟規(guī)律為：360 s一段直線開(kāi)啟。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)水力過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算分析可知，在已有的防護(hù)措施下，調(diào)整閥門(mén)關(guān)閉、開(kāi)啟規(guī)律為360s一段直線關(guān)閉(開(kāi)啟)，即可滿足壓力計(jì)算的要求。防護(hù)措施確定為空氣閥、水擊泄放閥及空氣壓力罐組合的防護(hù)方式。

輸水系統(tǒng)的主體為PE管，公稱壓力為0.8 MPa。規(guī)范要求的控制水錘壓力一般為1.3～1.5倍的最大工作壓力，即控制水錘壓力為85～96 mH2O。管線的壓力實(shí)際上低于常規(guī)輸水系統(tǒng)的控制壓力。本文圍繞此種特殊條件進(jìn)行防護(hù)，對(duì)最大、最小壓力工況進(jìn)行計(jì)算。為確保工程安全，在今后的通水試驗(yàn)或其他試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保持觀察、觀測(cè)，如有需要，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長(zhǎng)閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間。