长距离高落差重力流供水工程的关阀水锤

长距离高落差重力流供水工程的关阀水锤WaterhammerinthelongdistanceandhighdropwatersupplyprojectofgravityflowLUOHao，ZHANGJian，JIANGMenglu，YUXiaodong，LIDongzhou(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)：Waterhammeroffirstphaseusuallyoccursinthelongdistanceandhighheadwatersupplysystem.Thus，oncethedownstreamvalveisurgentlyclosedincaseofanaccidentinaproject，arationalclosureruleisneededtoensurethesafetyofthewatersupplysystem.Basedonthelongdistanceandhighfallgravityflowwatersupplyproject，theformulaofwaterhammerattheendoffirstphaseandtheformulaforlinearvalveclosurewereproposedbasedonthemethodofcharacteristic(MOC)whenvalveclosurelaworwaterhammerpressurewereknown.Thetwoformulashadbeentestedbynumericalcalculation.Itwasobservedthattheresultsofbothformulasfittheresultsofnumericalcalculationverywell.Takentogether，webelievethattheconclusionofthispapercouldprovideareferenceforpipelinedesign，operationanddispatchingoflongdistanceandhighdropgravityflowwatersupplyproject.长距离供水工程是解决水资源时空分布不均的有效方式，工程运行中发生的水锤将严重威胁输水系统的安全[12]。在我国中西部地区，地势上下起伏较大，使得长距离供水工程上下游落差较大，阀前水头较高，由水力学知识可知，此种供水工程在遇到紧急情况需关闭末端阀门时管道内可能出现首相水锤现象。在长距离重力流供水工程中，管道的安全运行十分重要。国内很多学者对有关重力流的关阀规律及其引起的管道压力进行了研究[313]°Wylie[14]详细阐述了阀调节的基本概念并建立了简单和复杂管道系统的阀调节方法；封金磊[15]对减小关阀水锤的阀调节措施进行了优化；陈明等[16]对管道耦合水击的最优阀调节问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行了研究；冯卫民[17]对泵系统最优阀调节策略及水锤控制方法进行了分析；王林锁、索丽生等[18]研究了有关水力机组过渡过程中阀调节应用问题；张健等[19]对含摩阻的长距离供水工程中关阀引起的直接水锤和极限水锤进行了理论分析，并均推导了相应水锤的理论计算公式。论文针对长距离高落差重力流输水系统，首次从理论上分析阀门关闭规律与首相水锤压力两者之间的定量关系，并根据管道承压能力反求出合理的阀调节措施，对高落差重力流输水系统阀门关闭规律具有指导意义。含摩阻输水系统首相水锤1.1第一相末阀前水锤压力图1中，L为管道长度，a为水锤波速。将管道动量方程与连续性方程［14］沿正向特征线AP积分得：HP-HA+agS（QP-QA+f2gDS2/PA|Q|Qdx=O（1）式中：H为测压管水头（m；Q为管道流量（m3/s）;S为管道截面积（m2;D为管道直径（m；f为DarcyWeisibach系数；下标P 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示阀门处的现时参数，下标A表示空间上距离阀门上游L处时间上前L/a时刻的参数。在水锤波传递过程中水库边界A点的压力几乎不发生变化，即任意时刻HA=HU0而水锤波未至水库端时QA=QU,0式（1）转化为：HP=HU0+agSQU0-QP-f2gDS2/PA|Q|Qdx（2）式（2）中HU0QUO为上游端部节点的初始水头与流量，将上式二阶近似得：HP=HUO+agSQO-QPagS+fL|QO|2gDS2（3式中：HP为第一相末阀前测压管水头；HU0为上库初始水头，即上库水头；Q0为管道内初始流量；QP为首相末阀门过流量，其它符号意义同前。1.2阀门过流特性常见的阀门有针阀和蝶阀等，严格意义上说，每个阀门都有与之对应的流阻系数曲线。通常阀门在安装前，其流阻系数曲线已知，从而阀门前后压差、过流量与开度等参数之间的关系已确定。假定某一阀门其流阻系数与相对开度符合以下函数关系式，即a=g(t)(4)式中：a为流阻系数；t为阀门的相对开度，对直线关闭时间Ts,任意时刻t阀门相对开度，T=T01-tTs,T0为阀门初始相对开度。由水力学可知：阀门前后压力差△H等于阀门损失系数E与阀门过流量Q2的乘积，其中E为a2gA2。由式(4)可知在阀门面积A确定情况下，E是阀门相对开度的一元函数。即E=g(t)2gA2=f(t)(5)通常管道末端阀门与下游水库距离很近，两者之间水头损失很小，可近似认为阀后测压管水头与水库水位相等，则：△H=HP-HD0=(ft1)Q2(6)式中：管道末端是水库时，HDO为水库水位；当其直接接入大气时，HDO为管道末端高程；t1为首相末阀门相对开度；f(t1)为首相末阀门损失系数，其它符号意义同前。开度依时间变化规律计算出首相末阀门相对开度T1，进而根据阀门流阻系数曲线，差分出对应的流阻系数值a1,最后根据公式(5)求出首相末阀门损失系数f(t1)。综上所述，联合式(3)及式(6)可得：HP=HU0+agSQ0-HP-HD(0ft1)agS+fL|Q0|2gDS2(7)对已知条件，令入=agS+fL|Q0|2gDS2,n=入/f(t1),=HUO-HDO+agSQO对待求解项HR令x=HP-HD0则上式可转化为：x2+nx-=0(8)解得：x=-n±n2+42,在关阀过程中，HP>HD0因此x>0,即x=-n+n2+42最后,可得高落差供水工程阀前压力计算公式：H1=HP-Hz=x2+HD0-Hz(9)式中：H1为首相末阀前压力；x=-n±n2+42,其中入=agS+fL|Q0|2gDS2,n=入/f(t1),=HU0-HDO+agSQO管道末端是水库时，HDO为水库水位；当其直接伸入大气时，HDO为管道末端高程；HZ为阀门处高程，其它符号意义同前。高落差输水系统阀调节规律在长距离供水工程的过渡过程中,阀门动作规律是重点关注对象。阀门关闭过快，造成水锤压力较大，易引发爆管事故；其关闭过慢，不利于水力调度及水力切换。因此，合理的阀门关闭规律是十分重要的。本节推导阀门直线动作时，阀前压力不超过管道控制压力下的关闭规律。由式(7)可得：Hl+HZ=HU0+agSQ0-HI+HZ-HDOf(t1)agS+fL|Q0|2gDS2(10)上式中：HI为阀前管道控制压力，HP=HI+HZ在此，HI和HP均为已知量，其它符号意义同前。令书=入Yr2,其中r=HU0+agSQO-HI-HZY=HI+HZ-HD0代入上式可得首相末阀门相对开度所对应的阀门损失系数：f(t1)=书；联立公式f(t)=a2gA2,求得阀门损失系数书对应的流阻系数值a1,进而结合阀门流阻系数曲线图差分出对应阀门相对开度t1。当阀门开度依直线变化时,设T1为管道首相时间,T为阀门关闭规律,当阀门以一段直线动作时,则其首相末相对开度为：t1=tO1-T1Ts=tO1-2LatOT。最后,求出不超过阀前管道控制压力HI下阀门的一段直线关闭规律：T>2La(t0-t1)式中：L为管道长度；a水锤波速；t0阀门初始开度；T为阀门一段直线关闭规律；t仁fl(^),具体应用时可根据式(5),得出阀门损失系数对应的首相末流阻系数值a1，进而结合阀门流阻系数曲线图差分出首相末阀门相对开度t1。算例分析某供水工程管道水平距离20km,坡度0005,糙率0012,直径12m。上游水库水位为103m,下游端为一蓄水池，水位3m,管道输水流量为12m3/s。管道波速1000m/s，管中心线高程及测压管水头线详见图2。由图2知,输水系统管道高程沿线下降很快,阀前管道内水压力已增至8649m,而其后蓄水池水位仅为3m故阀门需消减的水头很大，使得其初始开度较低落差时值要小。由水力学可知，在以上条件下，当关闭管道末端阀门时输水系统很容易出现首相水锤现象。图2输水系统管中心线高程及测压管水头线Fig.2Theelevationofpipecenterlineandpiezometricheadlineforthewaterconveyancesystem根据相关规程[20]，水锤防护措施 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 应保证输水管道最大水锤压力不超过13〜15倍最大工作压力。该供水工程阀前最大工作压力约100m,为此特选取130m、140m和150m三种水锤控制压力值，并用公式(11)计算不超过相应压力下阀门最快的一段直线关闭规律T。为检验计算结果的合理性，再运用数值计算求出各直线关闭规律下相应的阀前水锤压力，并与选取的三种水锤压力控制值作比较，以此验证公式(11)的合理与否。相应计算结果见表2。由表2及图6、图7可知：阀前最大压力基本发生在首相末时刻(2L/a=400s)，时间误差很小，且关阀时间Tz>2L/a，表明相应关阀产生首相水锤；对三种不同阀前水锤压力控制值，其相应的数值计算结果与之吻合很好，可见公式具有较高精度。结论在长距离高落差重力流供水工程中，阀前初始内水压力较大，如阀门操作不当导致阀前压力过大，会严重威胁输水系统的安全运行。论文根据特征线法推导了有摩阻管道首相水锤的阀前压力解析公式及其阀调节关闭规律；公式正确反映了阀前压力与其一段直线关闭规律两者之间的关系，且精度较高。文章推导的阀调节规律公式可为高落差重力流供水工程末端阀门操作提供理论指导，同时根据输水系统特性结合首相水锤公式计算得出阀调节过程中的最大压力可为管道承压能力的设计提供参考，以便于选择合适的输水管材。