有关长距离输水工程水力过渡过程的分析

有关长距离输水工程水力过渡过程的分析
摘要：随着社会经济水平的不断提高，我国水利建设获得了长足的发展，其中，长距离输水工程以其重要的社会意义和经济价值获得了业内外人士的普遍关注。

本文将结合实例对长距离输水工程水力过渡过程进行分析，以便参考。

关键词：长距离输水工程；水利过渡工程；分析
工程概况
某水库输水工程（辽宁省境内），输水管道全长共计222.898公里，途经6市。

该工程属于长距离输水工程，同时还具有大流量以及低扬程的特点，整个输水系统被设计为压力密闭式系统。

泵站上游部分利用有压重力原理进行水流的输送，在整个输水管线上共设置了6个配水站以实现对多个城市的配水，因而管线沿途流量呈现出不断减少的趋势。

其取水头部和输水洞直接相连，不仅设有拦污栅、电动吊车，还设有检修闸门以及工作闸门。

输水洞、配水站之间的主要设施如下：1）调流阀；2）流量计；3）电动蝶阀；4）稳压塔和液控蝶阀；5）排气阀；6）泄水阀[1]。

在有压管道输水工程中，应用水力学非恒定流理论可知，输水系统启停时，系统中的阀门也会随之发生相应的短暂启停，如此一来，便会造成水击的问题。

此过程中，管中流速一旦发生剧烈波动（受某些外界因素影响），将会导致水体压强发生大幅变化，继而对管壁、阀门以及其它各种管路元件造成强烈冲击，轻微时，可能造成相关元件的毁损，严重时，将会造成管道爆裂，影响整个输水工程的安全及正常运营。

由此可见，针对水击过渡过程展开分析、研究具有非常重要的现实意义。

2.水力过渡过程物理模型选择
本文将采用一维瞬变流模型对水力过渡过程（或者称之为水击作用）展开数值研究。

其中：1）V—水体流速；2）H—测压管水头；3）a—水击波波速，取值1000m/s2；4）g—重力加速度，取值9.81m/S2；5）x—沿输水管道方向；6）t—时间；7）
D—输水管道直径；8）α—输水管道的坡度；9）λ—沿程阻力系数，取值8g/C2。

该控制方程属于常规的双曲线方程，采用特征线—有限差分法展开离散求解。

该系统管线，不仅包括水库、稳压塔，还包括净水厂、加压泵站，除此之外，还涉及输水涵洞和管路的良好衔接问题，因此，方程的边界条件显得尤为复杂，主要取以下几点：1）水头部；2）管路分叉；3）管路合并；4）稳压塔；5）净水厂；6）加压泵站。

边界节点的定解关系可通过能量守恒定律和质量守恒定律进行确定，换而言之，在边界节点流量之和与水头流量相等。

水泵过流量和泵扬程的彼此关系，可用如下数学方程予以表示[2]：
其中：1）Hs—水泵断流水头；2）Q—水泵过流量，通过泵后蝶阀在某时间点t的开度τ确定。

3.基本方案及相关参数
对长距离输水工程的管道系统进行设计时，一般将以下两个设计指标列为重点考虑对象：1）管道中将会产生的最大压力水头，其数值受管壁强度限制，要求实际最大压力水头不可超过试验压力1.1Mpa；2）管道中将会产生的最小压力水头。

如果出现负压，且小于水体蒸汽压力时，那么将会导致水体发生局部汽化反应，给管壁带来不利的影响。

在工程设计中，一般认为管道中的负压应控制在0.7～0.8个标准大气压以上。

在水泵启停时，管道中水击压强的大小将会受到阀门关闭方式及关闭时间Ts的明显影响，所以，在工程设计中，主要通过延长阀门调节时间的方式，来实现对水击压强的有效控制。

本文通过数值计算结果，对最优阀门关闭方式进行选择，将水击压力符合设计标准。

可供选择的控制阀启闭方案见表1[3]。

表1 泵后控制阀启闭方案
根据本输水系统布置方案，对6种系统运行方案（见表2）进行水力过渡过程的计算及分析，分别是：1）以最大供水量对加压站上游各城市进行供水的5种系统运行方案；2）全系统正常运行方案。

各运行方案的加压泵机组详细配置见表3[4]。

表2 系统运行方案104m3/d
表3 各运行方案机组配置
4.计算结果及其分析
对上述6种管道系统进行工况分析，并对其水力过渡过程进行数值分析，得出以下重要内容：1）测压管水头包络曲线；2）各稳压塔水位；3）各稳压塔溢流量。

以加压站上游各市为最大供水量、鞍山下游为最不利工况1泵组全部开启运行为例，对相关数值进行优化计算后，确定采用180s线性开启方式以实现对泵后蝶阀的开启控制，开启时，管道内测压管水头包络曲线如图1所示[5]。

图1 测压管水头包络曲线
由图1可知，在管道内，水锤正压最大值为97.65m，水锤负压最大值为-6.16m，符合工程安全设计标准。

对计算进行分析，得出如下几条结论：1）适当延长阀门的启闭时间，能够明显降低水击波的冲击力，实现对水头的最大正压力及最大负压力的有效控制；2）不同阀门启闭方式将会造成不同大小的水击波强度。

整体而言，阀门开启过程中，快速开启方案通常好于缓慢开启方案，而阀门关闭过程中，缓慢关闭方案则大多好于快速关闭方案；3）对于鞍山上游各市最大供水量情况下的鞍山下游流量变化工况，有：①开泵、开阀状态，向营盘配水站供水量分别处于正常流量条件、不利工况流量条件时，输水管道内将会随之分别出现负压偏大的问题、正压偏大的问题；②将全部加压泵同时关闭，发现输水管道内负压符合工程设计标准，但正压稍微偏大；③如果将其中一台加压泵关闭，那么输水管道将出现负压偏大的问题，这对于工程运行而言，是十分不利的。

值得一提的是，最初计算时，没有将空气阀设置问题纳入其中。

除此之外，应用气泡模型进行计算、分析时，仅考虑了关闭其中一台加压泵的工况，发现沿程空气阀在减小最大负压方面具有一定效果，但不是很明显，且根据空气阀初始设置方案进行布置，得出极大负压不符合设计要求。

所以，应对负压极限位置的管段实行空气阀局部加密计算。

一种方案是间隔200m加密，另一种方案是间隔100m加密，对比发现，后者在
保证工程安全运行方面更具优势[6]；4）对于鞍山上游各市最大供水量情况下，鞍山分支流量为最不利工况一、最不利工况二的情况，当处于开泵、开阀状态时，正压水头和负压水头均符合工程运行条件。

将加压泵全部关闭时，将会出现负压偏大的问题，所以，应科学确定关阀时间。

只关闭一台加压泵时，应针对局部管段做好空气阀做好加密处理；5）在不同运行工况下，蝶阀的开启和关闭最好执行表4所给出的方案，如此才能有效保证最大正压力水头和最大负压水头均符合设计条件，进而保证整个长距离输水工程安全运行；6）对不同工况下的1～4号稳压塔进行计算，得出的溢流数据见表5（稳压塔初设直径为2.4m）。

其中，1、2号稳压塔的溢流量通常不大，仅仅是某个时段发生溢流，甚至完全没有溢流的发生，符合经济性原则以及合理运行原则。

3号稳压塔的溢流问题，大多数表现为时段性溢流，极限峰值（最大）为0.06m3/s，另外，处于正常运行工况条件下，3号稳压塔也存在某种程度的恒定溢流，对一段时间内的溢流情况进行分析，得出溢流量的均值为0.035 m3/s，在此过程中，对稳压塔直径进行修正，并取值DW=2.43m。

4号稳压塔存在恒定溢流问题，考虑到恒定溢流量的最大直为0.25 m3/s，所以，对其直径进行修正，并取值DW=2.48m[7]。

表4蝶阀启闭运行建议方案
表5 不同计算工况下，各稳压塔溢流情况汇总表
5.结语
本文选取整个输水系统处于正常运行状态且加压站上游保持在最大供水量条件时，对鞍山下游的流量工况（由正常流量工况一直到最不利校核流量工况）以及鞍山分支不利校核流量工况进行计算，对输水系统管道中的最大水锤正/负压进行模拟计算，同时结合工程设计中关于安全的要求，对输水系统的开泵、开阀以及停泵、关阀方案展开了一系列的优化对比，并提供了较为实用的开阀、关阀建议方案。

除此之外，还对管路系统中的全部稳压塔的溢流情况进行了深入的研究，然后对各个稳压塔的直径进行了相关修正。

通过对长距离输水工程水力过渡过程的一系列分析，能够有效提升整个输水系统的安全性、稳定性以及经济性。

参考文献：
[1] 曲兴辉,张健. 关于长距离输水管道末端净水厂停水关阀的过渡过程分
析[J]. 水利水电技术. 2010(11).
[2] 李爱华.大伙房水库输水(二期)工程水力过渡过程分析[J]. 东北水利水电. 2011(03).
[3] 沈志刚,刘卫华,赵小利,窦浩. 李家河水库压力输水管道水锤防护分析与研究[J]. 给水排水. 2011(S1).
[4] 刘旭,秦文保. 大口径长距离输水管道放空时间的计算探讨[J]. 广西水利水电. 2010(04).
[5] 秦文保. 大口径长距离输水管道放空时间的计算探讨[J]. 广东水利水电. 2010(09).
[6] 马世波,徐华新,朱伟. 单向稳压塔在长距离输水工程水锤防护中的应用研究[J]. 水利建设与管理. 2012(S1).
[7] 宋春华. 深圳抽水蓄能电站水力过渡过程分析[J]. 广东水利水电. 2008(04).。