宋立鈞
(秦皇島市引青工程管理局,河北秦皇島066305)
引青濟秦工程始建于1989年,是從青龍河桃林口水庫向秦皇島市區(qū)供水的跨流域調(diào)水工程。整個工程系統(tǒng)由桃林口小壩、引青西線、東西線對接、引青東線及北戴河支線、湯河支線、海港支線等組成,承擔著向秦皇島城市、盧龍灌區(qū)、唐山灤下灌區(qū)的供水任務。由于引青濟秦東線工程管道規(guī)格采用了多種組合,沿線存在多個分水口,水錘計算過程復雜。為了防止水錘可能產(chǎn)生的危害,從閥門關閉角度、關閉時間、快關慢關等方面提出方案,采用特征線法原理進行水錘計算,分析成果可為引青濟秦管理部門提供指導。
采用特征線法計算水錘,按照彈性水拄理論,建立管道瞬變流(水錘)過程的運動方程和連續(xù)方程。經(jīng)過簡化求解,得到水錘計算最重要的基礎方程。
C+:Hpi=Cp-BQpi
C-:Hpi=CM+BQpi
其中,Cp=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|,CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|。
管線末端的檢修閥門:
△H=CVQ2
管線首端(調(diào)壓井):Hp1=ES
3.1.1 波速a的計算與選定
水錘波速與管壁材料、厚度、管徑、管道的支承方式及水的彈性模量等有關,計算公式為:
式中K為水的體積彈性模量,一般為2.06×103MPa;E為管壁材料的縱向彈性模數(shù)(混凝土E=2.06×104MPa);為聲波在水中的傳播速度,隨溫度和壓力的升高而加大,一般取1435m/s。
經(jīng)計算得,水錘波傳播速度選用875m/s。
3.1.2 步長與管線分段
計算管段全長36.255km。為控制住主要特征點,整個管線被分為213段,管段步長170m,時間步長0.195s。
從閥門關閉角度、關閉時間、快關慢關等方面提供以下6種方案進行分析比較。
3.2.1 方案1——快關1min、慢關4min的關閥程序
方案1采用快關1min、慢關4min的關閥程序,經(jīng)過該過程的水力瞬變計算,閥門處最高暫態(tài)水頭值達98.11m,壓頭92.73m,發(fā)生于t=248.99s時。從圖1看出,壓力波動非常明顯,并且壓力波振蕩的衰減相當緩慢,從圖2看出,越靠近管線末端最高暫態(tài)水頭值越大,并且部分管段最低暫態(tài)水頭值較低,管線中管內(nèi)水壓強基本未出現(xiàn)負壓,不會出現(xiàn)水柱分離,但最高暫態(tài)水頭值較高。
3.2.2 方案2——均速8min的關閥程序
從方案1可知,由于快關后,反射波(負壓波)未返回至閥端,閥門處水錘升壓值很高,故需將關閥歷時延長,方案2采用均速8min的關閥程序。
方案2閥門處關閥水錘暫態(tài)過程線見圖3。從圖3看出,壓力波動仍較明顯,壓力波振蕩的衰減仍較緩慢,但比方案1有所改觀。閥門處最高暫態(tài)水頭值97.0m,壓頭91.62m;最低暫態(tài)水頭值為19.07m。從圖4看出,全線最高暫態(tài)水頭值略有降低,最低暫態(tài)水頭值略有上揚,并且管線中管內(nèi)水壓強基本未出現(xiàn)負壓。
3.2.3 方案3——均速15min的關閥程序
從方案2可知,將關閥歷時延長,閥端最大水錘升壓值降低,全線最高、最低水頭有所改觀,但壓力波動仍較明顯,最高暫態(tài)水頭偏高。故方案3將繼續(xù)延長關閥歷時,采用均速15min的關閥程序。
從圖5看出,壓力波動較前方案明顯減弱,暫態(tài)過程線比較平緩,最大波動值不高,壓力波振蕩的衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值為73.16m,最低暫態(tài)水頭值為23.61m。從圖6看出,最高水頭包絡線和最低水頭包絡線均較平緩,全線最高暫態(tài)水頭值較高,最低暫態(tài)水頭值上揚,并且最低水頭包絡線全部位于輸水管道軸線之上。
3.2.4 方案4——均速25min的關閥程序
從上述方案看,將關閥歷時延長,閥端最大水錘升壓值降低,壓力波動減小,但最高暫態(tài)水頭值仍然存在偏高現(xiàn)象,即使采用勻速20min的關閉程序,最高暫態(tài)水頭仍達65.62m。故方案4將繼續(xù)延長關閥歷時,采用均速25min的關閥程序。
從圖7看出,壓力波動較前方案明顯減弱,暫態(tài)過程線比較平緩,壓力波振蕩衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值60.64m,壓頭55.26m,最低暫態(tài)水頭值23.61m。最高暫態(tài)壓力水頭低于輸水管線的試驗壓力0.6MPa。從圖8看出,最高水頭包絡線和最低水頭包絡線均較平緩,全線最高暫態(tài)水頭值較低,最低暫態(tài)水頭值上揚,并且最低水頭包絡線全部位于輸水管道軸線之上。所以該方案關閥程序可基本保證關閥時系統(tǒng)的安全運行。
3.2.5 方案5——均速30min的關閥程序
方案5采用均速30min的關閥程序。從圖9看出,壓力波動較前方案明顯改善。閥門處最高暫態(tài)水頭值59.69m,壓頭54.31m,最低暫態(tài)水頭值18.23m。與方案4比較,計算成果接近。從圖10看出,最高水頭包絡線和最低水頭包絡線均較平緩,與方案4基本一致。
3.2.6 方案6——快關1min、慢關30min的關閥程序
方案4、5比較可知,延長關閥時間對管線壓力降低效果已不明顯,故本方案采用快關1min,慢關30min的關閥程序。
從圖11看出,壓力波動較前方案明顯減弱,壓力波振蕩的衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值56.02m,壓頭50.64m,最低暫態(tài)水頭值23.61m。最高暫態(tài)壓力水頭低于輸水管線的試驗壓力0.6MPa。從圖12看出,最高水頭包絡線和最低水頭包絡線均較平緩,全線最高暫態(tài)水頭值較低,最低暫態(tài)水頭值上揚,并且最低水頭包絡線全部位于輸水管道軸線之上。該方案關閥程序可基本保證關閥時系統(tǒng)的安全運行。
從多種關閥程序的試算結果看出,關閥過程采用先快關1min,后緩慢關閉方案較優(yōu)。最佳關閥程序為快關1min至60(°),后勻速30min緩慢關閥,可以有效地避免關閥水力過渡過程中壓力升高,控制水錘壓力升高,確保系統(tǒng)安全。
從閥門關閉角度、關閉時間、快關慢關等方面提出方案,采用特征線法原理進行水錘計算。根據(jù)分析計算成果及工程實踐總結,為防治水錘對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成影響,提出以下幾點措施:
(1)最佳關閥程序采取快關1min至60(°),后勻速30min緩慢關閥,可以有效地避免關閥水力過渡過程中壓力升高,控制水錘壓力升高,確保系統(tǒng)安全。
(2)除末端閥外,管線上其他的檢修閥、切換閥及泄水閥等的操作同樣應遵循緩開、緩閉的操作原則。
(3)建議根據(jù)實際情況制定管道末端閥門操作規(guī)程,確保輸水管道安全。
(4)建議各凈水廠關閉閥門前,應及時與引青管理局聯(lián)系,采取統(tǒng)一協(xié)調(diào)行動,以保證工程安全運行。
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