范 磊
(新疆昌源水務(wù)準(zhǔn)東供水有限公司,新疆 昌吉 831799)
隨著科技的發(fā)展電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電算求解已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水錘計(jì)算中[1]。計(jì)算機(jī)求解水錘的基礎(chǔ)也是微分方程并借助于特征線法,將基本方程轉(zhuǎn)化為便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的有限差分方程,計(jì)算機(jī)技術(shù)能解決復(fù)雜管路系統(tǒng)以及邊界條件水錘問題,其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算精準(zhǔn)度高,計(jì)算效率也能大幅度提升[2]。本文利用MATLAB計(jì)算機(jī)軟件編寫了長距離重力流樹狀管網(wǎng)水錘計(jì)算計(jì)算機(jī)程序,并將運(yùn)用于長距離重力流樹狀管網(wǎng)輸水工程實(shí)例中,依照此計(jì)算流程編寫此類工程的計(jì)算機(jī)程序分析求解類似的長距離重力流樹狀管網(wǎng)輸水工程水力過渡過程[3]。
通過對整個樹狀管網(wǎng)輸水工程的管道進(jìn)行分段,得到整個管網(wǎng)的水錘波速、計(jì)算時間和管段分段等基本數(shù)據(jù)。將整個樹狀管網(wǎng)的管道分成若干段Ni個,并將其按樹狀管網(wǎng)的各個節(jié)點(diǎn)分為Nj個自然段計(jì)算;計(jì)算管段截面積,常數(shù)B、R,將水錘計(jì)算特征線方法運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜輸水系統(tǒng)的水錘壓力分析計(jì)算。利用MATLAB 編制計(jì)算機(jī)程序步驟如下:
(1)輸入水錘波速a、管長L、管徑D、摩阻系數(shù)f、計(jì)算時間步長DT、分段數(shù)N、開關(guān)閥時間t、計(jì)算步數(shù)j、g、各個管道的流量Q0、樁號X、管中心高程Z、管道承壓能力數(shù)據(jù)ZP、各個支管末端水池高程數(shù)據(jù)HR、常數(shù)B、R、J、閥門開度τ、閥門局部阻力系數(shù)ξ。
(2)開始計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)Qi,Hi,,通常情況下為瞬態(tài)發(fā)生以前的恒定流動參數(shù)。
(3)計(jì)算i=2至N各內(nèi)點(diǎn)Qpi,Hpi。
(4)計(jì)算上游邊界Qp1,Hp1。
(5)計(jì)算末端閥門邊界Qp,NS,Hp,NS。
(6)輸出數(shù)據(jù),繪制圖形。在編制開閥程序時的值從0開始,關(guān)閥時從1開始。
工程為農(nóng)村安全飲水工程,采用重力流樹狀管網(wǎng)輸水,自高位蓄水池取水[4],通過干管和6條支管,輸水至13座水池,工程示意圖見圖1。高位水池至末端水池段為干管,長約33.0 km,除清水池,減壓池外,末端水池及其余1#~9#水池均有供水任務(wù)。末端水池和1#~9#水池設(shè)計(jì)供水流量分別為199.1、3.78、1.33、6.90、11.36、3.83、2.97、0.70、0.39 和5.75 L/s。每座水池的進(jìn)水管均安裝閥門,編號為1#~12#。高位水池設(shè)計(jì)水位高程為1 886.00 m,清水池、減壓池、末端水池、1#~9#池設(shè)計(jì)水位高程分別為1 855.00,1 710.00、1 629.10、1 806.00、1 812.50、1 785.50、1 789.50、1 708.50、1 780.50、1 531.50、1 660.00 和1 586.50 m。工程設(shè)計(jì)使用管材有玻璃鋼管、球墨鑄鐵管和PVC管。
圖1 工程示意圖
該工程控制閥門有12座,閥門關(guān)閉程序不同產(chǎn)生的水錘壓力也不同。嚴(yán)格控制閥門關(guān)閉程序使水錘壓力小于管道的承壓能力,才能保證工程安全運(yùn)行[5]。本文利用MATLAB編程對關(guān)閥水力過渡過程進(jìn)行計(jì)算。由于該工程干管流量大,管徑大,本文重點(diǎn)分析不同關(guān)閥程序?qū)Ω晒芩N壓力的影響。工程采用的蝶閥過流特性數(shù)據(jù)見表1和表2。
表1 蝶閥過流特性數(shù)據(jù)
表2 水力搖控浮球閥過流特性數(shù)據(jù)
12個閥門全部使用蝶閥或者水力遙控浮球閥,參考法蘭式蝶閥的電動(氣動)蝶閥的最快關(guān)閉(開啟)時間為10 s。計(jì)算方案見表3。
表3 關(guān)閥方案表(一)s
經(jīng)過多次試算,在采用方案8 時管線最大壓力包絡(luò)線均低于管道的承壓能力線(見圖2),即此長距離重力流樹狀管網(wǎng)輸水工程12 個閥門同時關(guān)閉時且要滿足最大壓力包絡(luò)線均低于管道的承壓能力線的最短關(guān)閉時間為方案8 關(guān)閉程序,方案8 為12 個閥門均使用水力遙控浮球閥線性關(guān)閉時的最優(yōu)關(guān)閉程序。
圖2 方案8最大最小壓力水頭包絡(luò)線
干管3 個閥門使用蝶閥線性關(guān)閉,支管9 個閥門使用水力遙控浮球閥,利用MATLAB編程計(jì)算以下15個關(guān)閥方案下12個閥門關(guān)閉對干管水錘壓力變化的影響情況,計(jì)算方案見表4。
表4 關(guān)閥方案表(二)s
干管1#閥門使用蝶閥線性關(guān)閉,2#和3#閥門使用兩階段關(guān)閉液控蝶閥支管9個閥門使用水力遙控浮球閥,利用MATLAB編程計(jì)算以下6個關(guān)閥方案(見表5)下12 個閥門關(guān)閉對干管水錘壓力變化的影響??礻P(guān)角度是70°,慢關(guān)角度為20°。
表5 關(guān)閥方案表(三)
對長距離重力流樹狀管網(wǎng)進(jìn)行水力過渡過程數(shù)據(jù)分析,確定不同的關(guān)閥程序?qū)Ω晒芩N壓力的影響程度。本工程最大壓力水頭出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)291 處,即291 斷面為干管2#閥門前端這一斷面。方案10 關(guān)閥程序下的最大壓力水頭Hmax=1 886.25 m,支管同時關(guān)閉時水錘壓力在291斷面波動(見圖3),可以看出支管閥門關(guān)閉的水錘壓力影響主要在時刻30 s處。方案23關(guān)閥程序是在方案16的基礎(chǔ)上,依然使各相關(guān)閥門最大壓力在291斷面出現(xiàn)的時刻一致,延長相關(guān)支管閥門(4#~8#)的關(guān)閉時間,此方案下的最大壓力水頭Hmax=1 898.19 m。
圖3 方案10時291斷面壓力水頭波動
方案9 關(guān)閥程序主要計(jì)算的是在全部支管都不關(guān)閉,也就是支管在進(jìn)行正常供水任務(wù)時,此閥門關(guān)閉程序是在滿足管網(wǎng)安全運(yùn)行下的最短干管閥門關(guān)閉時間,關(guān)閥時間是520 s線性關(guān)閉。方案10關(guān)閉程序,關(guān)閉全部支管閥門,其中影響291斷面壓力波動的支管閥門為4#~8#閥門,當(dāng)2#閥門和4#~8#閥門同時關(guān)閉時,干管520 s關(guān)閉已經(jīng)不能滿足管線安全運(yùn)行,最大壓力水頭將大于管道的承壓能力,需將關(guān)閥時間調(diào)整至530 s。在2#閥門及4#~8#閥門同時關(guān)閉的情況下,干管閥門關(guān)閉時間延長至530 s 時,支管30 s勻速關(guān)閉管線才能安全運(yùn)行。方案16關(guān)閉程序,調(diào)整支管的關(guān)閉時刻,使之同干管最大壓力水頭出現(xiàn)的時刻一致。
方案3、4、5的關(guān)閥時間相同但關(guān)閥時刻不同,方案4關(guān)閥程序是干管和各支管的最大壓力水頭出現(xiàn)的時刻一致時的關(guān)閥時刻。方案3、4、5關(guān)閥方案下291 斷面的最大壓力水頭分別為1 903.48、1 911.56、1 884.64 m。方案3、4、5關(guān)閥方案下398斷面的最大壓力水頭分別1 722.03、1 732.65、1 730.47 m。可以看出兩個斷面的最大值均出現(xiàn)在方案4關(guān)閥程序時。
方案10 至方案21 的關(guān)閥時間相同但關(guān)閥時刻不同,方案16關(guān)閥程序下兩個斷面的最大壓力水頭最大,方案16關(guān)閥程序是干管和各支管最大壓力水頭出現(xiàn)的時刻一致時的關(guān)閥時刻。
在閥門關(guān)閉過程中,隨著閥門的不斷關(guān)閉,流入蓄水池的水流流量也隨之不斷變化,在這期間依然有水通過閥門流入蓄水池,直至閥門完全關(guān)閉。選取減壓池處閥門關(guān)閉過程中流入蓄水池的水流量及流入水的體積作為分析對象。2#閥門在方案29關(guān)閥程序下水流量變化情況見圖4。在蓄水池體積設(shè)計(jì)時,需要考慮閥門關(guān)閉過程中流入蓄水池水的體積。方案6、方案8、方案16、方案29等4種方案下流入水的體積見表6。
表6 4種方案下流入蓄水池水的體積
圖4 方案29時291斷面流量變化圖
由表6可以看出:方案8關(guān)閥程序下,在閥門關(guān)閉過程中流入水的體積最大,附加調(diào)節(jié)容積最大;方案29關(guān)閥程序下,在閥門關(guān)閉過程中流入水的體積最小,附加調(diào)節(jié)容積最小。
在進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算分析時,最重要的就是找到最不利的水錘過程。本工程最不利的情況是干管閥門和其相關(guān)的各支管閥門單獨(dú)關(guān)閉時的最大壓力水頭出現(xiàn)在干管閥門前端的時間一致時關(guān)閉各閥門,即關(guān)閥方案6、方案16、方案27、方案29;這4 種方案下的最大壓力水頭均大于相同關(guān)閥時間情況下以其它關(guān)閥時刻關(guān)閥的最大壓力水頭。
(1)水池前端閥門關(guān)閉過程中持續(xù)流入水的體積,干管2#和3#閥門采用兩階段關(guān)閉液控蝶閥,支管使用水力遙控浮球閥時在閥門關(guān)閥過程中流入減壓池和干管末端水池水的體積最小。
(2)按方案29 關(guān)閉程序?qū)Σ煌牧髁窟M(jìn)行計(jì)算可以看出不同設(shè)計(jì)流量下干管最大壓力包絡(luò)線均小于管道的承壓能力。
(3)在閥門開啟時,主要關(guān)注管道最小壓力變化,要滿足管道的最小壓力包絡(luò)線高于管道的中心線高程。