鄒玉濤

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林長(zhǎng)春 130021）

1 引言

吉林省中部城市引松供水工程華能支線引自吉林省中部城市引松供水工程德惠支線應(yīng)急供水管線樁號(hào)為7＋271.5m 處。華能支線供水工程向華能熱電廠和國(guó)電吉林龍華長(zhǎng)春熱電一廠供水，在華能支線樁號(hào)10700m 處分水供國(guó)電吉林龍華長(zhǎng)春熱電一廠。長(zhǎng)春華能熱電廠的工程建設(shè)為2×350MW機(jī)組，最大耗水量為1435m3／h即3.444萬(wàn)m3／d，考慮管線的漏失量，并考慮適當(dāng)?shù)母辉＃凑杖A能熱電廠的要求設(shè)計(jì)水量確定為4.0萬(wàn)m3／d。國(guó)電吉林龍華長(zhǎng)春熱電一廠工程建設(shè)為2×300MW 機(jī)組，最大耗水量均為1660m3／h 即3.98萬(wàn)m3／d。因此輸水管線的總設(shè)計(jì)水量為：8.0萬(wàn)m3／d。

由于工程引自德惠支線，而德惠支線又引自玉米園支線工程，故計(jì)算要考慮整個(gè)系統(tǒng)，即當(dāng)玉米園支線工程的水泵斷電情況、正常運(yùn)行、華能支線管線末端閥門關(guān)閉等工況。

2 基本理論方程

在長(zhǎng)距離輸水工程中，各元件之間主要由管道連接，封閉管道中的水力瞬變情況主要與管道材料特性及其壓力變化的激烈程度有關(guān)，一般研究主要為小變形剛性管道及一般在動(dòng)態(tài)過程中不允許出現(xiàn)水柱分離為原則建立模型。

2.1 運(yùn)動(dòng)方程

2.2 連續(xù)方程

2.3 特征線方程

用特征線法將偏微分方程變成特殊的全微分方程，然后對(duì)全微分方程進(jìn)行積分得到便于數(shù)值計(jì)算的有限差分方程。

將方程（1）及（2）分別寫成：

采用特征線法，將式（3）及（4）偏微分方程轉(zhuǎn)換成下述兩對(duì)常微分方程：

取△x＝△ta，則在x，t平面上可得矩形網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，其中C＋，C－特征線與網(wǎng)絡(luò)線的對(duì)角線平行。此時(shí)特征線方程（5）和（6）可由如下兩方程表示：

圖1 解單管問題的XT 網(wǎng)絡(luò)

3 水力過渡過程計(jì)算的目的和意義

3.1 水力過渡過程計(jì)算的目的

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB／T 50265－97），有可能產(chǎn)生水錘危害的泵站，在各設(shè)計(jì)階段均應(yīng)進(jìn)行事故停泵水錘計(jì)算。在可行性研究階段，允許采用簡(jiǎn)易圖解法計(jì)算；在初步設(shè)計(jì)階段及施工圖階段宜采用特征線法或其它精度比較高的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)水泵機(jī)組事故失電時(shí)，管道系統(tǒng)將產(chǎn)生水錘（包括正壓水錘和負(fù)壓水錘）以及機(jī)組逆轉(zhuǎn)。水錘壓力的大小是管路系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)依據(jù)之一。充分了解水泵在失去動(dòng)力后管路系統(tǒng)各參數(shù)的變化情況，并采取必要的防護(hù)措施，確保機(jī)組及管路系統(tǒng)的安全，是泵站設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在計(jì)算供水工程的瞬變過程，應(yīng)滿足下列要求：管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂或出現(xiàn)不允許的負(fù)壓；防止最大水錘壓力對(duì)管道及管道附件的破壞。

3.2 水力過渡過程計(jì)算的意義

通過數(shù)值計(jì)算方法來(lái)模擬各種工況條件下輸水管路系統(tǒng)的水錘狀況，包括壓力、機(jī)組反轉(zhuǎn)速、流量等，分析各種工況下水錘壓力升高情況，從而確定合理的水錘防護(hù)措施，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行提出合理化建議，為工程安全運(yùn)行提供理論數(shù)據(jù)。

4 水力過渡過程計(jì)算分析

（1）當(dāng)玉米園取水泵站水泵事故斷電時(shí)，由水泵出口閥門正常關(guān)閉工況水力過渡過程計(jì)算的輸水管線的水擊包絡(luò)線可以看出，在管線局部地方出現(xiàn)負(fù)壓，說(shuō)明空氣閥是必須設(shè)置的，設(shè)置了空氣閥后能有效地解決負(fù)壓?jiǎn)栴}，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣閥動(dòng)作向管路補(bǔ)氣，各節(jié)點(diǎn)正壓水錘不大。

（2）當(dāng)玉米園取水泵站水泵事故斷電時(shí)，水泵出口閥門正常關(guān)閉，由華能支線末端閥門關(guān)閉工況下的水力過渡過程計(jì)算的水擊包絡(luò)線可以看出，在此工況下，華能段的水擊壓力升高值及負(fù)壓均很大，說(shuō)明管線末端的閥門在玉米園取水泵站水泵事故斷電時(shí)是不能關(guān)閉的，否則會(huì)引起管線發(fā)生水錘，嚴(yán)重引起爆管。由分水節(jié)點(diǎn)處的水力過渡過程壓力變化歷時(shí)曲線可以看出水錘波動(dòng)很劇烈。

（3）當(dāng)玉米園取水泵站水泵正常運(yùn)行時(shí)，由華能支線末端閥門關(guān)閉工況下的水力過渡過程計(jì)算的水擊包絡(luò)線可以看出在此工況下，華能段的部分管段水擊壓力升高值很大，說(shuō)明管線末端的閥門在玉米園取水泵站水泵正常運(yùn)行時(shí)是不能關(guān)閉的，否則會(huì)引起管線發(fā)生水錘，嚴(yán)重引起爆管。

由分水節(jié)點(diǎn)處的水力過渡過程曲線可以看出，由于輸水管道中間有分水節(jié)點(diǎn)，故水錘壓力瞬間升高后回落。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用特征線法對(duì)華能支線工程進(jìn)行了水力過渡過程分析計(jì)算，從而得出以下結(jié)論。

當(dāng)管線中間尤其是高點(diǎn)處不設(shè)置空氣閥，則局部地方會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)壓，實(shí)際上，當(dāng)負(fù)壓超過液柱分離壓時(shí)，在有壓管道中會(huì)發(fā)生液柱分離，分離液柱彌合會(huì)產(chǎn)生巨大的正壓破壞，這是不允許的，必須通過在管道沿線布置空氣閥來(lái)控制負(fù)壓。

通過對(duì)管道末端閥門關(guān)閉水泵不停機(jī)工況和水泵事故失電工況的計(jì)算表明，由于系統(tǒng)沿線管道較長(zhǎng)，輸水系統(tǒng)的控制點(diǎn)在玉米園輸水段，閥門關(guān)閉時(shí)水泵仍在運(yùn)行或事故停機(jī)，華能末端閥門關(guān)閉時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的壓力上升。所以，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在泵站運(yùn)行或事故停機(jī)時(shí)，華能支線供水主管末端閥門不能關(guān)閉，該閥門只能在系統(tǒng)停運(yùn)檢修管路時(shí)關(guān)閉。

1 陳乃祥.水利水電工程的水力瞬變仿真與控制［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社.2005.

2 金錐，姜乃昌 等.停泵水錘及其防護(hù)（第二版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

3 楊開林.電站與泵站中的水力瞬變及調(diào)節(jié)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.