大型输水管道工程水力过渡过程数值模拟及水锤防护

摘要:本文结合实例进行了水力过渡过程的数值模拟及水锤防护策略的制定,保证了长距离输水管线的安全可靠工作,为工程设计、维护人员提供水锤问题的分析和处理思路。

关键词:大型输水管道工程 水力过渡过程 水锤防护

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00

供水管道系统靠泵传输动力,阀控制管路流量,不规范地启停泵、阀或发生管路堵塞(包括汽泡堵塞)或泄漏等事件,系统进入水力过渡过程。由于管道系统组构的复杂性,过大的管内水压得不到及时释放或者过低的管内水压形成的汽泡不能及时消解,极易发生正压水锤或负压水锤事故,正压水锤会使管道系统剧烈振动,降低管道寿命,严重时会使管道系统瘫痪,危及系统安全,负压水锤则会产生液柱分离现象,导致管道被压扁或失稳。因此,如何采用合适的水锤计算方法数值模拟管道系统水力过渡过程,以制定相应的水锤防护策略,将水锤危害降到最低,对确保工程安全显得尤为必要和重要。

1 管道系统水力过渡过程的数值模拟

对管道系统水力过渡过程进行数值模拟是水锤分析的需要,而数值模拟结果则为水锤防护策略制定提供了基础依据。本文采用特征线法计算程序进行数值模拟。

(1)特征线方程

式中,B=a/(gA);R=fx/(2gdA2);a为水锤传播速度;g为重力加速度;A为某管道截面面积,f为摩阻系数;x为某管道分段长度;d为某管道截面直径;M,P,N为某管道的连续3个截面;Q,H代表某管道截面流量、压力水头的瞬态值。

(2)列出边界方程

管道系统边界点主要包括管道末端、泵阀端及各种水锤防护设备端等,其边界方程的取得基于边界点水头平衡方程。

(3)求解管道系统某管道各点瞬态值

特征线方程适合求解管道系统某管道内点瞬态值,对于管道系统某管道边界点,需联合边界方程并通过初始条件求解出其瞬态值,实现快速瞬变的管道系统水力过渡过程的数值模拟。

2管道系统水锤防护策略的制定

工程实际中,主要采取改变管道系统特性,增设惯性飞轮、空气罐、单向调压塔、旁通管水锤消除器等措施进行管道系统的水锤防护,本文不再赘述,仅给出防护策略的制定思路。

1)防止水锤事故的发生.防止水锤事故的发生要求管道系统系统结构合理以及管道系统运行工况良好,主要应从保持管道系统及其附属设备性能完好、管道系统及其附属设备内挟气量低、管内水流流态平稳着手,因此凸显规范操作和定时维养的重要性。

2)将水锤危害程度降到最低.将水锤危害程度降到最低要求管道系统水锤防护措施到位以及水锤事故发生时水锤防护措施执行效果良好。前者要求设计阶段做好系统结构优化、制定水锤防护措施;后者则要求水锤事故发生时操作者规范停关泵阀等设备,以尽量保持水流平稳,不让水锤危害继续扩大。

3 工程应用

某大型输水管道工程全长36.31公里,管径800mm。计算过程中采用两种方案。方案一采用空气和单向调压塔进行水锤防护;方案二联合使用空气阀和真空吸气阀取代单向调压塔进行计算。两种方案具体布置如图1所示。

3.1 方案一停泵水锤计算模拟

方案一采用空气阀和单向调压塔进行水锤防护模拟计算,计算结果如图2所示。

可以看出,采用方案一进行停泵水锤计算,管线最大压力较低,最大压力约为80米水柱,管线局部出现负压现象。

3.2 方案二停泵水锤计算模拟

采用方案二进行停泵水锤分析,管线首端负压现象消失,其余各处最低压力线与最高压力线与方案二基本一致。

在管线发生爆管或排水阀损坏失效情况下,水流速度过快,极易形成真空,此时空气阀的吸气功能不能完全防止真空的出现,会导致爆管情况发生。真空吸气阀在系统出现负压状态时可迅速开启,自动向系统中补入大量空气。真空吸气阀安装在管线系统的坡峰处,与空气阀相结合,一定程度上可起到调压塔的作用。

3.3 结语

单一的水锤防护设施可能无法满足防护要求,需结合工情组合多种水锤防护措施,并不断予以寻优计算,得出最佳的防护方案。

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