长距离重力流输水工程的关阀方案优化
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第 39卷 第 5 期 2017年 5 月1.39 ,N o .5 M a y ,2017
【 工 程 建 设 管 理 】
长距离重力流输水工程的关阀方案优化
王焰康， 张 健 ， 何 城
(河 海 大 学 水 利 水 电 学 院 ， 江 苏 南 京 210098)
收 稿 日 期 =2016-07-21 基金项目： 国家重点研发计划项目（ 2016 YFC 0401800)。 作者简介： 王焰康（ 1993— ) ， 男， 河南新乡人， 硕士研究生， 研 究方向为长距离、 跨流域输配水系统供水安全。 通信作者： 张健（ 1970— ) ， 男， 河南信阳人， 教授， 博士生导 师， 主要从事水电站泵站水力学研究工作。 E-mail ： jzhang @ hhu
doi :10.3969/j .iw n .1000-1379.2017.05.031
V a lv e C lo sin g P la n O p tim iz a tio n o f L o n g -D is ta n c e G r a v ity F lo w W a te r -S u p p ly P r o je c t WANG Yankang ，ZHANG Jian ，HE Cheng ( College of Water Conser^^ancy and Hydropower Engineering ，Hohai University ， Nanjing 210098，China ) A b stract ：As for a typical long-distance gravity flow water-supply project，an improved two-segment closing plan was proposed through nu merical simulation calculation and analysis with the method of characteristic line . Besides ，comparative studies were carried out on the linear closing plan ，two-segment closing plan and the improved two-segment closing plan . The calculation results show that the improved two-seg ment closing plan not only can effectively shorten the system response time when transient accident happens ，but also can effectively reduce the water hammer pressure due to valve closure and increase the safety margin of the water supply system . K ey w ord s ：method of characteristic lin e ；long-distance water-supply project；valve-closure water hammer；valve closing plan
我国水资源分布不均衡， 往往需要跨地区、 跨流域 长距离有压输水， 对于一些落差较大的地形， 一般通过 重力流自流供水。长距离输水工程沿线地形复杂且流 量大， 若没有合适的布置条件， 则在输水系统中就难以 设置稳压塔等水锤防护措施。对于无防护措施的长距 离重力流输水工程， 一般只能通过缓闭阀门来切断水 流,并利用合理的关阀方案来控制关阀产生的巨大水 锤压力。当系统发生事故时， 相应的阀门等控制元件 应迅速动作以隔断事故源,但供水管道线路很长， 一旦 发生爆管事故， 管道内水流流速就将迅速增大,如果快 速关闭爆管点附近阀门， 就将导致直接水锤， 诱发二次 事故。因此， 为防止快速关阀对供水系统造成严重破 坏， 必须采取合理的阀门关闭方案， 在工程设计阶段尤 其需要高度重视。张健等[|]针对长距离输水工程中 线路充填现象， 得到了输水系统考虑摩阻存在的直接 水锤公式， 并修正了间接水锤公式， 经修正后的间接水 锤公式不仅可以用于供水系统一段直线关阀方案的分 析， 而且可以用于两段折线关阀方案， 为长距离输水系 统阀调节的理论研究提供参考。 目前， 在长距离重力流输水工程中,常采用简单的 线性关阀方案,但在一些事故工况中， 在一定的水锤压 力控制标准下， 利用线性关阀方案不能做到快速隔断 水流， 有时需要利用两段折线关阀方案以减少阀门关 闭时间[2]。阀门两段折线关闭方案常用于水电站机 组导叶关闭中， 为解决机组甩负荷过程中转速和蜗壳 压力上升之间的矛盾， 选择导叶分段关闭模式是行之 有效的方法,经济且易实现， 在水电站机组过渡过程中 已得到广泛应用[3]。两段折线方案一般为先快后慢, 当系统发生极限水锤， 且慢关段折线斜率倒数与一段 直线关阀方案直线斜率倒数相等时， 相比一段直线关 阀方案而言， 两段折线关阀方案仅能减少关阀时间， 不 能减少关阀所产生的水锤压力[1]。若需进一步减小 水锤压力， 则只能通过减缓关阀速度来实现， 但在长距 离重力流供水工程实际运行中， 为有效降低水锤强度， 阀门关闭速度已经很慢， 一味减缓阀门关闭速度， 将大 大增加阀门的制造难度。因 此 ,在系统发生事故时兼 顾减少关阀时间与减小水锤压力尤为值得研究。
摘 要 :针 对 某 一 典 型 的 长 距 离 重 力 流 输 水 工 程 ， 利用特征线法对其进行数值模拟计算， 得出了一种改进的两段折线关 阀方案， 并分别对直线关阀、 两 段 折 线 关 阀 和 改 进 的 两 段 折 线 关 阀 方 案 进 行 对 比 分 析 。计 算 结 果 表 明 ， 改进的两段折线 关阀方案不仅能够在事故发生时有效缩短系统反应时间， 而且能够有效减小关阀所产生的水锤压力， 增大供水系统的安 全裕度。 关 键 词 ：特 征 线 法 ；长 距 离 输 水 工 程 ；关 阀 水 锤 ；关阀方案 中 图 分 类 号 ：TV 134.1 文献标志码：A
【 工 程 建 设 管 理 】
长距离重力流输水工程的关阀方案优化
王焰康， 张 健 ， 何 城
(河 海 大 学 水 利 水 电 学 院 ， 江 苏 南 京 210098)
收 稿 日 期 =2016-07-21 基金项目： 国家重点研发计划项目（ 2016 YFC 0401800)。 作者简介： 王焰康（ 1993— ) ， 男， 河南新乡人， 硕士研究生， 研 究方向为长距离、 跨流域输配水系统供水安全。 通信作者： 张健（ 1970— ) ， 男， 河南信阳人， 教授， 博士生导 师， 主要从事水电站泵站水力学研究工作。 E-mail ： jzhang @ hhu
doi :10.3969/j .iw n .1000-1379.2017.05.031
V a lv e C lo sin g P la n O p tim iz a tio n o f L o n g -D is ta n c e G r a v ity F lo w W a te r -S u p p ly P r o je c t WANG Yankang ，ZHANG Jian ，HE Cheng ( College of Water Conser^^ancy and Hydropower Engineering ，Hohai University ， Nanjing 210098，China ) A b stract ：As for a typical long-distance gravity flow water-supply project，an improved two-segment closing plan was proposed through nu merical simulation calculation and analysis with the method of characteristic line . Besides ，comparative studies were carried out on the linear closing plan ，two-segment closing plan and the improved two-segment closing plan . The calculation results show that the improved two-seg ment closing plan not only can effectively shorten the system response time when transient accident happens ，but also can effectively reduce the water hammer pressure due to valve closure and increase the safety margin of the water supply system . K ey w ord s ：method of characteristic lin e ；long-distance water-supply project；valve-closure water hammer；valve closing plan
我国水资源分布不均衡， 往往需要跨地区、 跨流域 长距离有压输水， 对于一些落差较大的地形， 一般通过 重力流自流供水。长距离输水工程沿线地形复杂且流 量大， 若没有合适的布置条件， 则在输水系统中就难以 设置稳压塔等水锤防护措施。对于无防护措施的长距 离重力流输水工程， 一般只能通过缓闭阀门来切断水 流,并利用合理的关阀方案来控制关阀产生的巨大水 锤压力。当系统发生事故时， 相应的阀门等控制元件 应迅速动作以隔断事故源,但供水管道线路很长， 一旦 发生爆管事故， 管道内水流流速就将迅速增大,如果快 速关闭爆管点附近阀门， 就将导致直接水锤， 诱发二次 事故。因此， 为防止快速关阀对供水系统造成严重破 坏， 必须采取合理的阀门关闭方案， 在工程设计阶段尤 其需要高度重视。张健等[|]针对长距离输水工程中 线路充填现象， 得到了输水系统考虑摩阻存在的直接 水锤公式， 并修正了间接水锤公式， 经修正后的间接水 锤公式不仅可以用于供水系统一段直线关阀方案的分 析， 而且可以用于两段折线关阀方案， 为长距离输水系 统阀调节的理论研究提供参考。 目前， 在长距离重力流输水工程中,常采用简单的 线性关阀方案,但在一些事故工况中， 在一定的水锤压 力控制标准下， 利用线性关阀方案不能做到快速隔断 水流， 有时需要利用两段折线关阀方案以减少阀门关 闭时间[2]。阀门两段折线关闭方案常用于水电站机 组导叶关闭中， 为解决机组甩负荷过程中转速和蜗壳 压力上升之间的矛盾， 选择导叶分段关闭模式是行之 有效的方法,经济且易实现， 在水电站机组过渡过程中 已得到广泛应用[3]。两段折线方案一般为先快后慢, 当系统发生极限水锤， 且慢关段折线斜率倒数与一段 直线关阀方案直线斜率倒数相等时， 相比一段直线关 阀方案而言， 两段折线关阀方案仅能减少关阀时间， 不 能减少关阀所产生的水锤压力[1]。若需进一步减小 水锤压力， 则只能通过减缓关阀速度来实现， 但在长距 离重力流供水工程实际运行中， 为有效降低水锤强度， 阀门关闭速度已经很慢， 一味减缓阀门关闭速度， 将大 大增加阀门的制造难度。因 此 ,在系统发生事故时兼 顾减少关阀时间与减小水锤压力尤为值得研究。
摘 要 :针 对 某 一 典 型 的 长 距 离 重 力 流 输 水 工 程 ， 利用特征线法对其进行数值模拟计算， 得出了一种改进的两段折线关 阀方案， 并分别对直线关阀、 两 段 折 线 关 阀 和 改 进 的 两 段 折 线 关 阀 方 案 进 行 对 比 分 析 。计 算 结 果 表 明 ， 改进的两段折线 关阀方案不仅能够在事故发生时有效缩短系统反应时间， 而且能够有效减小关阀所产生的水锤压力， 增大供水系统的安 全裕度。 关 键 词 ：特 征 线 法 ；长 距 离 输 水 工 程 ；关 阀 水 锤 ；关阀方案 中 图 分 类 号 ：TV 134.1 文献标志码：A