李廷彥

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

引洮供水工程輸水系統(tǒng)隔斷閥關(guān)閉過渡過程分析

李廷彥

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

天水市城區(qū)引洮供水工程全線均為重力流單管供水，且沿線地形復(fù)雜，管線起伏較大。供水距離、輸水工況的轉(zhuǎn)換、管線閥門的啟閉等都會(huì)導(dǎo)致輸水系統(tǒng)產(chǎn)生水力瞬變現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致管路出現(xiàn)非正常供水，重則導(dǎo)致爆管，破壞整個(gè)輸水系統(tǒng)的運(yùn)行。為了保證整個(gè)輸水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，須對(duì)隔斷閥進(jìn)行檢修工況,以及可能發(fā)生的爆管危害及相應(yīng)的爆管事故調(diào)查分析，為輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置提供科學(xué)依據(jù)。

引洮供水；長(zhǎng)距離單管輸水；隔斷閥；過渡過程

1 工程概況

天水市城區(qū)引洮供水工程為長(zhǎng)距離引水工程，輸水設(shè)計(jì)流量2.1 m3/s，水源取水口為引洮供水工程四干渠末端，以暗渠隧洞再接輸水管道，途經(jīng)洛門鎮(zhèn)、磐安鎮(zhèn)，馬務(wù)村至2#隧洞進(jìn)口； 2#隧洞進(jìn)口無壓自流到關(guān)子鎮(zhèn)石川村上游2#隧洞出口，此后管線沿藉河入楊家灣調(diào)蓄水池輸水進(jìn)行調(diào)蓄。本工程主要建設(shè)內(nèi)容有渠道工程(暗渠、隧洞、倒虹吸)、輸水管道工程和調(diào)蓄水池工程三部分。其中暗渠總長(zhǎng)5.05 km，倒虹吸2.93 km，隧洞總長(zhǎng)15.35 km，管道總長(zhǎng)68.93 km，渠線總長(zhǎng)92.4 km。本次主要分析2#隧洞出口直接通過分水口進(jìn)水廠隔斷閥關(guān)閉過渡過程，供水方式布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 2#隧洞出口后供水方式簡(jiǎn)要布置圖

2 輸水系統(tǒng)隔斷閥關(guān)閉過渡過程分析

2.1 水錘計(jì)算相關(guān)方程

描述任意管道中水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方程為[1-2]：

(1)

式中：Q為流量，m3/s；A為管道的橫截面積，m2；H為測(cè)壓管的水頭，m；x為沿管軸線距離，m；t為時(shí)間，s；a為水錘波速，m/s；g為重力加速度，m/s2；β為管道軸線與水平線的夾角，°;f為摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑，m。

2.2 檢修工況

當(dāng)輸水管道需要對(duì)某段管道進(jìn)行檢修時(shí)，應(yīng)該把此段管道用檢修雙向硬密封偏心半球閥或檢修硬密封球閥隔斷，減少水量浪費(fèi)，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運(yùn)行[3-4]。管線布置及隔斷閥布置如圖1所示。由圖中可以看出，若需要檢修某段管道，則首先應(yīng)該關(guān)閉1#進(jìn)水閥、2#調(diào)流閥,以及3#調(diào)流閥，隨后可將待檢修管段前后隔斷閥在靜水中以120 s一段直線關(guān)閥規(guī)律關(guān)閉。

2.3 爆管工況

2#隧洞出口后將管道分成兩部分：第一段管道為管道進(jìn)水口至消能箱進(jìn)水口，全長(zhǎng)5.52 km；第二段管道為消能箱出口至管道末端，全長(zhǎng)14.533 km，流量取2.1 m3/s。2#調(diào)流閥、3#調(diào)流閥關(guān)閉規(guī)律是按照正常工況設(shè)定，爆管事故發(fā)生后，由于爆管因素的不確定性，為避免因?yàn)榭礻P(guān)導(dǎo)致二次爆管，這兩處的閥門動(dòng)作規(guī)律應(yīng)保持不變，雖然相應(yīng)增加了爆管的水量損失與爆管事故持續(xù)時(shí)間，但減緩了自身管道的危害。

對(duì)于第一段管道(消能箱前部分)，爆管事故發(fā)生后，爆管點(diǎn)處壓力降為大氣壓，爆管點(diǎn)處的流量與水錘降壓波的大小取決于其正常工作壓力，正常工作壓力越大，危害越大。由圖2可以看出，最危險(xiǎn)爆管點(diǎn)應(yīng)在第一段管道末端(消能箱進(jìn)口處)。對(duì)于第二段管道(消能箱后部分)，爆管事故發(fā)生后，爆管點(diǎn)處壓力降為大氣壓，爆管點(diǎn)處的流量與水錘降壓波的大小取決于其正常工作壓力，正常工作壓力越大，危害越大。由圖3可以看出，最危險(xiǎn)爆管點(diǎn)應(yīng)在樁號(hào)174+012.7處，該處管中心線高程1322.95 m。

圖2 第一段管道最危險(xiǎn)爆管點(diǎn)示意圖

第一段管道(消能箱前部分)在最危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生爆管時(shí)，理論上是爆管點(diǎn)上游流量迅速加大、爆管點(diǎn)下游流量迅速減小，但由于消能箱的存在且該點(diǎn)高程較高，爆管點(diǎn)下游不會(huì)發(fā)生倒流，最后將導(dǎo)致消能箱內(nèi)漏空[5]。此時(shí)需要關(guān)閉管道進(jìn)口閥門1#進(jìn)水閥和爆管點(diǎn)后2#調(diào)流閥以切斷水流，同時(shí)為防止消能箱漏空嚴(yán)重導(dǎo)致第二段管道的大量進(jìn)氣，還應(yīng)同時(shí)關(guān)閉第二段管道末端3#調(diào)流閥。待1#進(jìn)水閥和2#調(diào)流閥關(guān)閉后，爆管段水流已被切斷，2#調(diào)流閥處檢修雙向硬密封偏心半球閥可在靜水中以120 s關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉。1#進(jìn)水閥應(yīng)在爆管事故發(fā)生時(shí)以120 s一段直線關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行關(guān)閉，同時(shí)2#、3#調(diào)流閥應(yīng)按正常關(guān)閥時(shí)閥門關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行慢關(guān)，以防止第一段管道發(fā)生二次爆管事故或第二段管道也發(fā)生爆管事故。

當(dāng)?shù)谝欢喂艿?消能箱前部分)發(fā)生爆管時(shí)，爆管點(diǎn)涌出流量變化如圖4所示，爆管點(diǎn)壓力變化如圖5所示；發(fā)生爆管后閥門即開始動(dòng)作，1#進(jìn)水閥門開度變化如圖6所示。從相關(guān)計(jì)算可以得出：當(dāng)?shù)谝欢喂艿?消能箱前部分)發(fā)生爆管時(shí)，短時(shí)間內(nèi)爆管點(diǎn)處最大流量達(dá)到7.07 m3/s；事故關(guān)閥過程中，第二段管道最大壓力沒有超過管道承壓標(biāo)準(zhǔn)。

第二段管道(消能箱后部分)在最危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生爆管時(shí)，理論上是爆管點(diǎn)上游流量迅速加大、爆管點(diǎn)下游流量迅速減小并發(fā)生倒流。此時(shí)需要關(guān)閉爆管點(diǎn)前最近的隔斷閥和爆管點(diǎn)后管道末端3#調(diào)流閥以切斷水流，同時(shí)為防止消能箱溢出，還應(yīng)同時(shí)關(guān)閉消能箱進(jìn)口2#調(diào)流閥。降壓波的傳遞將導(dǎo)致第二段管道部分空氣閥大量進(jìn)氣，最小壓力將維持在大氣壓附近。因爆管點(diǎn)前流量迅速加大，爆管點(diǎn)前隔斷閥關(guān)閉時(shí)不應(yīng)關(guān)閉過快，否則將產(chǎn)生正水錘發(fā)生二次爆管事故[6-7]。經(jīng)計(jì)算隔斷閥擬采用420 s一段直線關(guān)閉規(guī)律在爆管事故發(fā)生時(shí)關(guān)閉，同時(shí)2#、3#調(diào)流閥應(yīng)按正常關(guān)閥時(shí)閥門關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行慢關(guān)。當(dāng)?shù)诙喂艿?消能箱后部分)發(fā)生爆管時(shí)，爆管點(diǎn)涌出流量變化如圖7所示，爆管點(diǎn)壓力變化如圖8所示；發(fā)生爆管后相關(guān)閥門即開始動(dòng)作，爆管點(diǎn)前隔斷閥開度變化如圖9所示，流量變化如圖10所示，壓力變化如圖11所示。

圖3 第二段管道最危險(xiǎn)爆管點(diǎn)示意圖

圖4 爆管點(diǎn)流量變化圖

圖5 爆管點(diǎn)壓力變化圖

圖6 進(jìn)水閥開度變化圖

圖7 爆管點(diǎn)流量變化圖

圖8 爆管點(diǎn)壓力變化圖

圖9 隔斷閥開度變化圖

圖10 隔斷閥流量變化圖

圖11 隔斷閥壓力變化圖

從相關(guān)計(jì)算圖中可以看出：當(dāng)?shù)诙喂艿?消能箱后部分)發(fā)生爆管時(shí)，短時(shí)間內(nèi)爆管點(diǎn)處最大流量達(dá)到5.86 m3/s；事故關(guān)閥過程中，第二段管道隔斷閥前部分最大壓力沒有超過管道承壓標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

若需要檢修管道，則首先應(yīng)該關(guān)閉1#進(jìn)水閥、消能箱進(jìn)口2#調(diào)流閥以及管道末端3#調(diào)流閥，隨后可將待檢修管段前后隔斷閥在靜水中以120 s一段直線關(guān)閥規(guī)律關(guān)閉。相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明，合理的調(diào)度能夠防止事故擴(kuò)大，避免次生災(zāi)害發(fā)生，建議在爆管事故發(fā)生時(shí)，消能箱進(jìn)口2#調(diào)流閥及管道末端3#調(diào)流閥仍按照正常檢修時(shí)擬定的慢關(guān)規(guī)律進(jìn)行。若爆管事故發(fā)生在消能箱前，則應(yīng)在爆管事故發(fā)生時(shí)，同時(shí)關(guān)閉1#進(jìn)水閥門(120 s一段直線關(guān)閉規(guī)律)、2#調(diào)流閥及3#調(diào)流閥；若爆管點(diǎn)發(fā)生在消能箱后，則應(yīng)在爆管事故發(fā)生時(shí)，同時(shí)關(guān)閉爆管點(diǎn)前最近的隔斷閥(420 s一段直線規(guī)律)、消能箱進(jìn)口2#調(diào)流閥以及管道末端3#調(diào)流閥。

[1] 黃靖, 謝水波.多功能水泵控制閥的水錘防護(hù)特性及應(yīng)用[J]. 給水排水, 2002, 28(5) : 71- 72.

[2] 梁建軍，何強(qiáng)，褚同偉，等. 基于PIPE2008: Surge的超高揚(yáng)程取水工程停泵水錘模擬分析[J], 給水排水, 2010, 36(6):117-120.

[3] 謝水波,邱長(zhǎng)軍,張浩江,等.取水泵站停泵水錘電算技術(shù)研究[J].給水排水, 2000, 26(6) : 69-72.

[4] 胡穎姝. 長(zhǎng)距離輸水工程干線隔斷閥切換過程水力過渡分析[J]. 中國水能及電氣化, 2017(1):20-23.

[5] 林琦, 劉志勇, 劉梅清,等. 長(zhǎng)管道輸水系統(tǒng)停泵水力過渡過程分析與防護(hù)[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2011(2):139-141.

[6] 黃時(shí)鋒, 周文萍, 程佳秋. 輸水系統(tǒng)水泵失電工況出口閥關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)選[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2014, 34(3):56-60.

[7] 結(jié)少鵬, 張健, 黎東洲,等. 多支線長(zhǎng)距離重力流輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)[J]. 人民黃河, 2014, 36(8):130-133.

Analysis on shutdown transition process of water diversion system block valve in Taohe River water supply project

LI Tingyan

(GansuInstituteofWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesign,Lanzhou730000,China)

The Taohe River water supply project at the urban section of Tianshui City is all gravity flow water supply by single pipeline, and the terrain along the pipeline is complex, the pipeline fluctuation is large. The change of water supply distance, switch of water diversion condition and the opening and closing of pipeline valve will cause the water diversion system to produce a phenomenon of hydraulic transient, ranging from water supply pipeline appearing abnormal, heavy damage is pipe burst, destroying the whole water supply system operation. In order to ensure the safe and stable operation of the whole water supply system, the conditions of the shutdown valve must be overhauled, and the pipe explosion hazard and the corresponding accident that might occur must be investigated and analyzed to provide scientific basis for the water diversion system structure arrangement.

Taohe River water supply project; long distance water diversion by single pipeline; shut down valve; transition process

李廷彥(1982-)，男，甘肅古浪人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：bao_hello@163.com。

TV213

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