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        基于供水工程中重力流的水錘聯(lián)合防護(hù)措施研究

        2020-05-07 04:53:06趙曉磊
        黑龍江水利科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:措施

        趙曉磊

        (遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

        0 引 言

        跨流域、跨地區(qū)的輸水工程為解決日益尖銳的供水需求矛盾的必然發(fā)展趨勢,重力流輸水管道在管路系統(tǒng)中具有運(yùn)行維護(hù)方便、水量損失少等優(yōu)點。然而,管線受其他建筑物和地形條件限制,通常存在較大的變化起伏,輸水工程中最突出、最常見的問題為如何實現(xiàn)輸水管線的安全防護(hù)。管道末端閥門關(guān)閉過快很容易引起水力瞬變現(xiàn)象,系統(tǒng)內(nèi)壓力的劇烈降低和升高極易造成閥門破壞、管道接頭斷開,甚至引起管道壓癟或爆裂等問題[1〗。國內(nèi)外專家關(guān)于水錘防護(hù)和長距離有壓管道輸水問題開展了大量研究,如Streeter等針對整個供水系統(tǒng)受水錘的影響提出分段關(guān)閥規(guī)律控制法,在許多工程實踐中這種關(guān)閥規(guī)律得到普遍的應(yīng)用;Elliot等結(jié)合現(xiàn)場試驗和瞬態(tài)模擬試驗結(jié)果,依據(jù)韋納奇地區(qū)的城市供水系統(tǒng)提出了能夠較好的防止水錘的空氣閥;楊玉思等[2〗在長距離管道輸水工程中研究了超壓泄壓閥的水錘防護(hù)作用;高將等[3〗研究分析了調(diào)壓塔和超壓泄壓閥水錘防護(hù)措施的邊界條件、技術(shù)要點、工作原理及其結(jié)構(gòu)特征,通過對比兩者的區(qū)別提出有效防止管道壓力過大的措施為超壓泄壓閥,能夠同時消除管路負(fù)壓和降低壓力管路正壓的措施為調(diào)壓塔。

        當(dāng)前,考慮水錘聯(lián)合防護(hù)措施的重力流供水工程的研究不多,文章結(jié)合現(xiàn)有研究資料和理論成果,以北方某供水工程為例,對重力流部分的聯(lián)合超壓泄壓閥、兩階段關(guān)閥和線性關(guān)閥多種防護(hù)措施,運(yùn)用計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬研究,以期為重力流水錘聯(lián)合防護(hù)提供一定參考。

        1 數(shù)學(xué)模型

        1.1 水錘計算模型

        特征線法為計算管道系統(tǒng)水錘的常用方法,主要包括連續(xù)和運(yùn)動方程[4],表達(dá)式分別為:

        (1)

        (2)

        式中:x、H、D分別為位置坐標(biāo)、壓力水頭和管徑,m;v、a分別為流速和水錘波速,m/s;f、t分別為摩阻系數(shù)和水錘發(fā)生時間;α為水平面與管路之間的夾角,°。

        1.2 邊界條件

        1) 出口閥門邊界條件。在流量穩(wěn)定的條件下,采用下式計算出口閥門徑流的水頭損失[5],即:

        ΔH閥=CvQ2v|v|

        (3)

        式中:Cv、ξ為閥門的阻力特性系數(shù)和流阻系數(shù);AV、Q為閥門開度面積及其流量,m2、m3/s。

        2) 超壓泄壓閥邊界條件。為防止管道正壓力過大通常采用一種超壓泄壓閥保護(hù)裝置,當(dāng)水錘事故引起供水系統(tǒng)壓力急劇升高時,為防止發(fā)生爆管事故閥門會自動開啟。超壓泄壓閥邊界條件根據(jù)連續(xù)性原理可設(shè)定為如下形式[6],即:

        Hp1=Hp2=Hp3

        (4)

        Qp1+Qp2+Qp3=0

        (5)

        (6)

        式中:H0、HP1、HP2、HP3分別為超壓泄壓閥管外、上、下游及閥處壓力,m;Qp1、Qp2、Qp3分別為超壓泄壓閥上、下游及閥處流量,m3/s;AG、Cd分別為泄流面積和流量系數(shù),m2。

        2 實例應(yīng)用

        重力流輸水和泵站提水為某供水工程的主要構(gòu)成,文章對重力流部分的多種防護(hù)措施運(yùn)用計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬研究。在運(yùn)行工況設(shè)計過程中,球磨鑄鐵輸水管線長13520m,管徑0.8m、設(shè)計流量0.58m3/s,上、下游水位為790.25、742.10m,調(diào)流閥設(shè)置在管道末端。管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及縱斷壓力圖,見圖1。由于大部分輸水管道內(nèi)壓>80m且工程地形存在較大起伏變化,加之輸水管線較長使得管件連接、管道接頭等易發(fā)生故障,為防止管道急劇升壓并保障管線的安全運(yùn)行,有必要開展關(guān)閥水錘的防護(hù)措施研究。

        圖1 管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及縱斷壓力圖

        2.1 調(diào)流閥優(yōu)化

        若關(guān)閥時間較短,則較長有壓輸水管線會直接產(chǎn)生水錘,由此對管線安全造成危害。一般情況下,關(guān)閥規(guī)律分為線性與兩階段關(guān)閥,其中兩階段關(guān)閥是先將較大角度在短時間內(nèi)關(guān)閉,然后對剩余角度緩慢關(guān)閉,從而達(dá)到水錘壓力降低的目的[7]。優(yōu)化兩階段和線性關(guān)閥為文章的研究重點,輸水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)選用淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)流閥。淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)特性,見表1。

        表1 淹沒套筒式多噴孔水錘控制調(diào)特性

        1) 線性關(guān)閥。為確定管道壓力是否符合規(guī)范要求并揭示水錘壓力受線性關(guān)閥時間變化的影響規(guī)律,文章以完全關(guān)閥時間1600、1300、1000s為例,探討最小、最大水錘壓力的變化特征。壓力水頭過程線在不同關(guān)閥時間下的變化特征,見圖2;水錘最小、最大壓力值,見表2。

        圖2 壓力水頭過程線在不同關(guān)閥時間下的變化特征

        線性關(guān)閥最小壓力/m最大壓力/m1000s195.26-9.96關(guān)閥時間1300s180.05-9.961600s162.81-9.96

        綜上分析,隨著關(guān)閥時間的增加一階段關(guān)閥最大壓力明顯減少,完全真空壓力仍為最小壓力,負(fù)壓長度減少且包絡(luò)線總體上移。各種問題隨關(guān)閥時間的增加逐漸顯現(xiàn),如工程造價增大以及閥門遇緊急事故的響應(yīng)時間延長等,根據(jù)廠家給定的相關(guān)資料合理設(shè)定關(guān)閥延長時間,選定1600s關(guān)閥時間作為調(diào)流閥優(yōu)化方案[8-10]。

        2) 兩階段關(guān)閥。為降低重力流輸水管道正壓和有效消除負(fù)壓的效應(yīng),“兩階段關(guān)閉”管道末端閥門為較常用的方法[11]。結(jié)合實踐經(jīng)驗,在給定關(guān)閉時間的情況下,將第一階段關(guān)閉角度增大至合理范圍,可有效降低長距離輸水系統(tǒng)的最大正負(fù)壓。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,最優(yōu)關(guān)閥方案為1580s慢關(guān)20°、20s快關(guān)70°,觀察壓力水頭線在最優(yōu)關(guān)閉角度下的走勢。最優(yōu)關(guān)閥方案的壓力水頭線,見圖3。

        圖3 最優(yōu)關(guān)閥方案的壓力水頭線

        根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和輸水管設(shè)計規(guī)范,城市供水管道最大水錘壓力在水錘防護(hù)措施設(shè)計中應(yīng)<管道強(qiáng)度,且≤穩(wěn)態(tài)壓力的1.3-1.5倍,還要對彌合水錘形成條件進(jìn)行分析。從圖3可以看出,最小壓力>0滿足規(guī)范要求,可避免彌合水錘的形成;雖然最大壓力呈現(xiàn)出下降趨勢,但閥前和穩(wěn)態(tài)壓力比為3.06,超高1.3-1.5倍的要求,因此不符合規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行正壓防護(hù)[12]。

        2.2 超壓泄壓閥與兩階段管閥的聯(lián)合防護(hù)

        1)一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)。將超壓泄壓閥引入至兩階段關(guān)閥優(yōu)化方案中,根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)置選用:以管徑的1/4-1/5設(shè)定公稱直徑,在升壓管段處安裝超壓泄壓閥。所以,將口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設(shè)置在46斷面處,一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)的壓力水頭線,見圖4。

        圖4 一臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的

        從圖4可以看出,通過設(shè)置超壓泄壓閥可降低最大正壓力,該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求,而閥前與最大內(nèi)水壓之比為2.75,仍不滿足1.3-1.5倍的要求,所以仍需采取防護(hù)措施。

        2)兩臺超壓泄壓閥和兩階段關(guān)閉的聯(lián)合防護(hù)[13]。根據(jù)上述結(jié)論和成果,將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設(shè)置在58斷面處,兩臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的聯(lián)合防護(hù)的壓力水頭線,見圖5。

        圖5 兩臺超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥的

        從圖5可以看出,通過設(shè)置兩臺超壓泄壓閥可降低最大正壓力,該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求,而閥前與最大內(nèi)水壓之比為1.26,滿足1.3-1.5倍的要求??梢姡瑑膳_超壓泄壓閥與兩階段關(guān)閥防護(hù)措施能夠保證長距離輸水管道的安全運(yùn)行,可明顯降低供水管線的升壓水錘。

        3 結(jié) 論

        關(guān)閥引起的關(guān)閥水錘、角度、時間與長距離重力流輸水管道之間存在關(guān)聯(lián)作用,通過對關(guān)閥規(guī)律的合理優(yōu)化能夠較好的降低管道正壓、消除復(fù)雜。針對關(guān)閥規(guī)律優(yōu)化調(diào)整仍不能達(dá)到技術(shù)規(guī)程要求的情況下,可通過合理設(shè)置超壓泄壓閥保證供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行,使其正壓符合規(guī)程要求。

        在該長距離供水系統(tǒng)中,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果選定末端兩階段關(guān)閥方式,最優(yōu)關(guān)閥方案為:1580s慢關(guān)20°、20s快關(guān)70°,口徑為200m、完全開啟壓力為85m的超壓泄壓閥設(shè)置在46斷面處,將口徑為200m、完全開啟壓力為42m的超壓泄壓閥設(shè)置在58斷面處。該聯(lián)合防護(hù)措施的最小壓力>0能夠符合技術(shù)規(guī)程要求,而閥前與最大內(nèi)水壓之比為1.26,滿足1.3-1.5倍的要求,研究成果可為保證上距離輸水管道的安全運(yùn)行和降低管道升壓水錘提供一定決策依據(jù)。

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