長白縣備用水源管線工程水力過渡過程研究

宣 淼，李 琦，云天禹

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112500）

0 引言

重力流輸水管線設(shè)計(jì)中，輸水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)等工況的轉(zhuǎn)換都可能導(dǎo)致輸水系統(tǒng)中水力參數(shù)發(fā)生劇烈變化，產(chǎn)生全系統(tǒng)的水力瞬變現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致相鄰管路出現(xiàn)非正常供水，重則導(dǎo)致爆管事故，危及整個(gè)輸水系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行；且長距離供水工程水力過渡過程具有水力滯后嚴(yán)重、管道內(nèi)滯留氣體排除困難、水錘防護(hù)措施復(fù)雜等特點(diǎn)。因此，需要進(jìn)行各種工況下的系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算，以此對全系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性和危險(xiǎn)工況進(jìn)行預(yù)測，為輸水管線整體運(yùn)行調(diào)節(jié)、水錘防護(hù)措施的選擇等提供科學(xué)依據(jù)和建議，以保證工程安全運(yùn)行、降低工程成本[1，2]。

1 工程概況

長白縣備用水源工程由攔河壩工程和輸水管線工程組成，供水水源為西溝攔河壩，位于十九道溝支流西溝溝口以上1.3 km處。輸水管線工程自起點(diǎn)攔河壩輸水洞起至長白縣凈水廠止，總長約19.3 km，其中自雙山六級電站至凈水廠段利用現(xiàn)有管線6.2 km，新建管線13.1 km。新建管線自攔河壩下180.0 m起，終點(diǎn)為雙山六級電站附近現(xiàn)有供水管線接入點(diǎn)處，管線主要沿西溝及十九道溝布設(shè)。

2 研究內(nèi)容

結(jié)合工程質(zhì)量要求，對壓力輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力過渡過程仿真計(jì)算，模擬工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行中可能出現(xiàn)的水力過渡過程，有效地減小過渡過程產(chǎn)生的危害。主要研究內(nèi)容：對長白縣供水工程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況計(jì)算，通過計(jì)算輸水系統(tǒng)的水力損失確定輸水管線的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)測壓管水頭和內(nèi)水壓力，并復(fù)核輸水系統(tǒng)管線布置的合理性，輸水系統(tǒng)是否滿足過流要求；分析長白縣供水工程開關(guān)閥的最危險(xiǎn)工況，在最危險(xiǎn)工況下優(yōu)化重力流段的開關(guān)閥規(guī)律。

3 水力過渡過程計(jì)算原理及數(shù)學(xué)模型

3.1 水錘計(jì)算的特征相容方程

描述任意管道中的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本方程：

式中：H——測壓管水頭；A——管道面積；x——沿管軸線的距離；t——時(shí)間變量；a——水錘波速；g——重力加速度；Q——流量；β——管軸線與水平面的夾角；f——摩阻系數(shù)；D——管道直徑。

式（1）（2）可簡化為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計(jì)算特征相容方程。

對于長的管道A—B，其兩端點(diǎn)A，B邊界在t時(shí)刻的瞬態(tài)水頭HA(t)，HB(t)和瞬態(tài)流量QA(t)，QB(t)可建立如下特征相容方程：

式中：△t——計(jì)算時(shí)間步長；△L——特征線網(wǎng)格管段長度；△L=a△t（庫朗條件）；k——特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/△L；R——水頭損失系數(shù)，R=△h/Q2。

水力過渡過程計(jì)算一般從初始穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)開始，即取此時(shí)t=0，因此，當(dāng)式中(t-k△t)＜0時(shí)，則令(t-k△t)=0，即取為初始值。式（3）（4）均只有兩個(gè)未知數(shù)，將其分別與A，B節(jié)點(diǎn)的邊界條件聯(lián)列計(jì)算，即可求得A，B節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)參數(shù)。

3.2 閥門控制節(jié)點(diǎn)方程

一般情況下，出口閥門的過流方程：

式中：Cd——閥門流量；AG——閥門流量系數(shù)；△Hp——過閥水頭損失；τ——閥門開啟面積；Cr——閥門全開時(shí)的流量系數(shù)；Ar——閥門全開時(shí)的面積。計(jì)算過程中，通過讀取廠家提供的閥門開度與流量系數(shù)關(guān)系曲線，反應(yīng)閥門實(shí)際過流特性，提高計(jì)算精度。

3.3 計(jì)算控制條件

1）輸水系統(tǒng)在開關(guān)閥的過渡過程中，不允許出現(xiàn)負(fù)壓，最大內(nèi)水壓力必須滿足管道最大壓力的承壓標(biāo)準(zhǔn)。

2）供水沿線最大壓力原則上須滿足GB 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，根據(jù)管線布置，按照相應(yīng)的管材要求控制，最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4 輸水系統(tǒng)閥門開啟關(guān)閉過渡過程計(jì)算

輸水系統(tǒng)起點(diǎn)攔河壩最低輸水水位（死水位）842.50 m，最高輸水水位（校核洪水位）847.46 m，終點(diǎn)長白縣凈水廠水位782.96 m（考慮8.00 m富余水頭），輸水系統(tǒng)最大供水流量0.25 m3/s，水廠前設(shè)有蝶閥。由于輸水系統(tǒng)起、終點(diǎn)落差較大，在末端水廠閥門開啟、關(guān)閉過程中將不可避免產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)。為確定合理的閥門調(diào)節(jié)程序，避免造成管線的破壞，主要對輸水系統(tǒng)末端閥門開啟、關(guān)閉工況進(jìn)行過渡過程計(jì)算，從而校核輸水系統(tǒng)沿線最大壓力是否符合壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 不同水位下關(guān)閥計(jì)算

攔河壩水位選取校核洪水位和死水位兩種工況，下游為水廠水位；供水流量為0.25 m3/s；水廠前蝶閥初始開度為1；末端蝶閥關(guān)閉操作方法按照不同關(guān)閉時(shí)間分為3種方案：180 s一段直線，240 s一段直線，300 s一段直線；目標(biāo)開度均為0。經(jīng)過渡過程計(jì)算，當(dāng)攔河壩水位為校核洪水位時(shí)，3種方案閥前最大壓力依次為143.47，130.38和119.17 m，蝶閥關(guān)閉管道沿線最大壓力值依次為179.26，169.48和160.22 m；當(dāng)攔河壩水位為死水位時(shí)，3種方案閥前最大壓力依次為138.30，130.38和119.17 m，蝶閥關(guān)閉管道沿線最大壓力值依次為174.14，164.49和155.41 m，2種工況最大壓力值所在位置均為管道樁號(hào)K0+091.6位置處。末端蝶閥關(guān)閉時(shí)，3種方案下凈水廠蝶閥前壓力變化過程線見圖1。

圖1 末端蝶閥關(guān)閉時(shí)3種方案下凈水廠蝶閥前壓力變化過程線

由圖1可以看出，2種工況下關(guān)閥越慢，壓力上升越緩。3種方案的管道最大內(nèi)水壓力都發(fā)生在新建管道內(nèi)，新建管道承壓標(biāo)準(zhǔn)為200 m，管道發(fā)生最大壓力處滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)。原有管道承壓標(biāo)準(zhǔn)為160 m，方案一、方案二在原有管道處（k0+000.0～-k6+200.0）的最大壓力均超過160 m，不能滿足管道承壓標(biāo)準(zhǔn)；方案三最大壓力所在位置滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，原有管道內(nèi)的內(nèi)水壓力也均小于160 m的承壓標(biāo)準(zhǔn)，故推薦采用方案三，即300 s一段直線關(guān)閥規(guī)律。

4.2 不同水位下開閥計(jì)算

攔河壩水位的選取與關(guān)閥一致；供水流量為0.00 m3/s；水廠前蝶閥初始開度為0；末端蝶閥開啟操作方法按照不同開啟時(shí)間分為3種方案，時(shí)間與關(guān)閥相同；目標(biāo)開度均為1。經(jīng)過渡過程計(jì)算，當(dāng)攔河壩水位為校核洪水位時(shí)，3種方案閥前最小壓力依次為17.26，17.19和17.04 m，蝶閥開啟管道沿線最小壓力值依次為7.23，7.23和7.25 m；當(dāng)攔河壩水位為死水位時(shí)，3種方案閥前最小壓力依次為17.20，17.16和17.04 m，蝶閥開啟管道沿線最小壓力值依次為3.09，3.10和3.11 m，2種工況最小壓力值所在位置均為管道樁號(hào)K13+109.0位置處。末端蝶閥開啟時(shí)，3種方案下凈水廠蝶閥閥前壓力變化過程線見圖2。

圖2 末端閥開啟時(shí)3種方案下凈水廠蝶閥前壓力變化過程線

由圖2可以看出：2種工況下開閥越慢，閥前壓力下降越緩，最終壓力降到幾乎同一水平。3種閥門開啟方案沿線均未出現(xiàn)負(fù)壓，均能滿足要求，管道沿線的最小內(nèi)水壓力幾乎相等。

通過對輸水系統(tǒng)閥門開啟、關(guān)閉過渡過程計(jì)算可知，關(guān)閥工況下無論是在攔河壩校核洪水位（847.46 m）時(shí)關(guān)閥還是在死水位（842.50 m）時(shí)關(guān)閥，都采取了3種方案進(jìn)行計(jì)算，水錘壓力主要取決于關(guān)閥時(shí)間；經(jīng)過比較，建議采取方案三，即300 s一段直線關(guān)閥規(guī)律，滿足管道承壓標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能盡量節(jié)省關(guān)閥時(shí)間；開閥工況下3種閥門開啟方案沿線均未出現(xiàn)負(fù)壓，均能滿足要求。

5 結(jié)語

通過對長白縣備用水源管線工程水力過渡過程的研究，模擬了輸水管線運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的水力過渡過程，對輸水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性和危險(xiǎn)工況進(jìn)行了預(yù)測，為輸水管線整體運(yùn)行調(diào)節(jié)、水錘防護(hù)措施的選擇等提供科學(xué)依據(jù)和建議，也為后續(xù)工程設(shè)計(jì)過程中保證工程安全運(yùn)行和降低工程成本提供了可靠依據(jù)，同時(shí)也為類似重力流輸水管線水力過渡過程計(jì)算和相關(guān)工程設(shè)計(jì)起到了一定的參考作用。