长距离树状重力流系统水锤防护研究

2023-06-29闫天柱王晓敏李小周朱满林

西安理工大学学报 2023年1期

闫天柱, 王晓敏, 李小周, 朱满林

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司, 北京 100024; 2.西安佰利隆市政工程设计有限公司,陕西西安 710100; 3.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西西安 710048)

随着我国国民经济的发展,长距离输水工程日益增多,如何保证长距离输水工程安全运行则至关重要[1-2]。重力流输水系统依靠管道起末点地形的高差输水,管线多顺地势敷设,具有落差大、距离长等特点[3-4]。树状重力流系统水源单一,用水点较多,与单一用水点的重力流输水系统相比,树状重力流系统更为复杂,瞬变过程存在更多的不确定性因素[5]。而对输水系统水锤的准确分析,是保障长距离树状重力流系统安全运行的关键。白绵绵等[6]的研究表明,设置旁通阀能明显改善输水管线的压力波动情况。吴远为等[7]建立了爆管水力学模型,比较了不关阀和关阀条件下管线的压力瞬变过程,发现利用爆管点上下游液控阀的关闭规律,能够明显减小爆管泄漏量,可避免爆管后二次水锤及次生危害。张景望等[8]研究了调流调压阀、超压泄压阀等对重力流输水系统水锤防护的影响。王祺武等[9]分析了不同的阀门关闭及阀门配置方式对水锤防护的影响,认为单阀、双阀和三阀调节在管路中能起到较好的水锤防护效果。董茹等[10]就带分支线的重力输水系统末端阀门在不同关阀程序下水锤压力的变化特点及影响进行了分析研究。结少鹏等[11]对重力流多支线输水系统的多种水锤防护措施的设置位置和原则进行了分析,发现在管线上游的高点设置双向调压塔,对控制管道的正压、负压以及消减断流、弥合水锤有明显的效果。

目前,关于长距离树状重力流系统水锤防护的研究,主要侧重于关阀过程以及与其他防护措施的结合,而对于树状系统末端阀门不同时关闭及末端阀门开启时的水锤影响研究较少。鉴于树状重力流系统的复杂性及其对水力过渡过程的不确定性影响,本文结合工程实例,对长距离树状重力流系统在稳态、末端阀门同时及分别关闭和开启等不同工况下的水力过渡过程进行分析计算,得到了长距离树状重力流系统管道末端阀门不同的关闭和开启方式对水锤防护的影响规律,可为类似工程提供参考。

1 计算方法及建模

1.1 特征线法

(1)

(2)

式中:以同一基准面为标准,H为某断面t时刻的水头,m;c为水锤波速,m/s;g为重力加速度;f为输水管道的摩擦阻力系数;D为输水管道的直径,m;V为某断面t时刻的流速,m/s。

假设A、B及P为管道上三个相邻的断面,断面之间的距离为Δx,t时刻特征线方程如图1所示。

图1 特征线方程示意图Fig.1 Schematic diagram of characteristic line equation

1.2 边界条件

1.2.1 上游端为恒定水位水池

(3)

式中:HP为管道的水头;HR为水库的水头;ξ为进口阻力水头损失系数(正向流动时,系数前的符号取“+”;反向流动时,系数前符号取“-”)。

当管道流速水头和进口阻力水头损失系数较小而可以忽略时,上游为恒定水位水池的边界方程可简化为(图2):

图2 上游恒定水位水池Fig.2 Upstream constant water level pool

Hp=HR

(4)

1.2.2 下游端为阀门

在稳定流态时,通过阀门的流量为:

(5)

式中:(CdAg)0为稳定状态时阀门阻力系数Cd和阀门面积Ag的乘积;H0为过阀水头损失;Q0为稳定状态时的流量。

在瞬变状态时,通过阀门的流量可表示为:

(6)

定义阀门的相对开度为:

(7)

由上述方程联立可得:

(8)

与正特征线方程HP=CP-BQP联立求解可得:

2 实例分析

2.1 工程概况

某长距离树状重力流输水系统,以重力自流方式由上游水库分别给后寺河、西泗河、东泗河河道补充生态用水。水库至后寺河分岔点管段长7.45 km;后寺河分岔点至西泗河分岔点管段长6.11 km;后寺河支管长0.88 km;西泗河支管长1.2 km;西泗河分岔点至东泗河受水点管段长7.86 km。3～11月,每天8点到20点时段常流水,管道总流量为1.848 m3/s,其中后寺河1.108 8 m3/s、西泗河0.436 8 m3/s、东泗河0.302 4 m3/s。管道布置如图3所示。

图3 管道布置示意图Fig.3 Piping layout schematic

2.2 计算及分析

长距离树状重力流输水系统初始稳态工况分析计算:本工程总设计流量为1.848 m3/s,其中后寺河、西泗河、东泗河设计流量分别为1.108 8 m3/s、0.436 8 m3/s、0.302 4 m3/s,为控制出水流量,在管道末端设置流量控制阀,初始阀门开度100%。计算结果如图4、图5、图6所示。

图4 主干管(东泗河)管道稳态压力线Fig.4 Steady-state pressure line of the main pipe(Dongsi River)

图5 后寺河管道稳态压力线Fig.5 Steady-state pressure line of Housi River pipeline

图6 西泗河管道稳态压力线Fig.6 Steady-state pressure line of Xisihe River pipeline

由图4～图6可知,稳态工况下,重力流输水系统的稳态压力均在管道设计承压范围内。

长距离树状重力流输水系统的关阀水力过渡过程分析计算:对本工程后寺河、西泗河、东泗河管道末端阀门历时50 s、100 s、160 s、220 s、280 s、340 s、400 s同时以及分别从阀门开度100%到0线性关闭时的水力过渡过程进行分析计算,计算结果如表1所示。

表1 管道末端阀门不同关阀情况下的水锤计算结果Tab.1 Water hammer calculation results under different valve closing conditions at the end of the pipeline

由表1的计算结果可知,同一关阀时间下,管道末端阀门同时关闭时管道中的正压明显大于管道末端阀门分别关闭时的正压。末端阀门同时关闭(50 s)时,管道中最小压力-9 m,管线多处出现水柱拉断情况。随着末端阀门关闭时间的延长,管道中的正压减小,管道中最小压力基本维持在4.4 m。同一关阀时间下,末端阀门同时关闭时,管道中由于水锤波的相互叠加效应,使得管线压力增大,明显大于末端阀门分别关闭时的情况。

长距离树状重力流输水系统的开阀水力过渡过程分析计算:当输水系统再次通水时,需要在初始流量为零的条件下开启管道末端阀门,对管道末端阀门分别以240 s、300 s、360 s、420 s、500 s同时以及分别从阀门开度0到100%线性开启时的水力过渡过程进行分析计算,计算结果如表2所示。

表2 管道末端阀门不同开阀情况下的水锤计算结果Tab.2 Water hammer calculation results under different valve opening conditions at the end of the pipeline

由表2的计算结果可知,管道末端阀门开启时间的变化对管道中正压和负压的影响不大;管道末端阀门同时开启以及分别开启时,管道中的正压相差不大,没有明显的趋势;管道末端阀门开启时,管道中的水锤波经历了减压逆波、减压顺波两个过程,当管道末端阀门同时开启时,管道中的水锤波相互叠加进而造成管道中的负压比阀门分别开启时的负压大。