摘 要:在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门时所产生的水锤压力往往较大,破坏性强,常造成意外损失。因此,对关阀水锤进行正确的计算分析,做出必要的防护措施尤为重要。本文以张峰水库输水二干管线工程为工程背景,进行重力流的水力过渡过程数值模拟,并对计算结果做出分析。
关键词:重力流;关阀水锤;调流调压阀
由于压力管路中流速的突然变化,引起管中水流压力急剧上升或降低的现象称为水锤或水击。水流是具有惯性的,在供水工程中,当突然启动、停止或为调节流量而起用阀门,都将使水流速度发生变化而产生惯性力,惯性力的大小等于水流质量m与加速度的乘积,方向与加速度方向相反。在出水管路中,这个惯性力就表现为水锤压力。突然启动、停止或为调节流量而起用阀门所产生的水锤压力往往较大,一般可达正常压力的1.5～4倍或更大,破坏性强,常造成意外损失。所以对关阀水锤必须进行认真分析,并做出较精确的计算,以便采取必要的防护措施。
重力流水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时,由于压力水流的惯性,产生水流冲击波,就像锤子敲打一样,所以叫水锤。水流冲击波来回震荡产生的力,有时会很大,从而破坏阀门。当打开的阀门突然关闭,水流对阀门及管壁,主要是阀门会产生一个压力,由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,压力迅速达到最大,并产生破坏作用,这就是水力学当中的“水锤效应”,也就是正水锤。在长距离供水工程中必须考虑这一因素。相反,关闭的阀门在突然打开后,也会产生水锤,叫负水锤,也有一定的破坏力,但没有前者大。水锤效应具有很强的破坏作用,可导致管子的破裂或疮陷、损坏阀门和紧固件,为了消除水锤效应的严重后果,在管路中需要设置一系列缓冲措施和设备。
通过计算机数值计算方法来模拟各种工况条件下输水管路系统的水锤状况,包括压力、流量等,进而分析超常水锤压力可能出现的情况,校核阀门和压力管路的承受压力,针对计算分析结果采用必要的水锤防护措施,寻求阀门的最优关闭规律,来确保整个供水工程的安全运行,为供水工程的安全运行和供水工程的优化设计提供技术依据,因此意义重大。
1 重力流水力过渡过程计算原理
1.1 水锤基本方程
水锤基本特性方程包括运动方程和连续性方程1
(1)运动方程:式中:v、H:分别为产生水锤时管中的流速和测压管水头;
f、D、g:分别为管道摩阻系数、管径、重力加速度;
x、t:分别为水锤波传播的距离、时间。
(2)连续性方程:
1.2 水锤特征线方程及其解法
根据流量和流速的关系Q=AV,用V=Q/A代替方程式(1)和(2)中的V值,经推导得水锤基本方程的另一种形式:
从公式(5)、(6)、(7)的对比中可以看出,如果令C2=dx/dt,则式(5)中前一括号内可写成dQ/dt,如令1/=dx/dt,则后一括号内的值可写成dx/dt,即令:
AP和BP直线,并交于P点。
如果把式(10)写成下列形式:dx=±C•dt
则dx是表示在dt时段内水锤波面以波速C沿管路移动的距离,例如,在t0时,管路A处生产或传出一正水锤波+C,在t0+t时移动了x距离而到达P点(即对应+1/C线上的P点),如下图所示:
同理在管路B点生产或传出一反向水锤波-C,在t0+t时也到达P点。所以我们把这种斜率为±1/C的直线分别称之为正水锤特征线和负水锤特征线,它们实质上反映了水锤波的传播过程,把+1/C值分别带入公式(9)和(10)中。
两组方程式说明:式(11)是(12)成立的条件;而式(13)是式(14)成立的条件,即对正特征线方程式(12)成立,对负特征线方程式(14)成立。由此可见,特征线即反映了水锤波面沿管路传播过程,也确定了管路中流量和水头的关系。1.3 重力流水锤波速的计算
本段重力流采用玻璃钢管,管径DN800 mm,计算可得水锤波波速c=929.49 m/s。
2 张峰水库输水二干管线工程重力流水锤计算机数值模拟
2.1 张峰水库二干管线计算主要技术资料
2.1.1 张峰水库输水工程简介
张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上,距晋城市城区90 km,水库总库容3.94亿m3,是以城市生活和工业供水、农村人畜饮水为主,兼顾防洪、发电等综合利用的大(2)型水库枢纽工程。
2.1.2 二干重力流段供水工程简介
(1)工程规模:二干起点为总干末端调蓄水池,输水线路全长18.28 km(总干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地区工业用水,设计流量1.11 m3/s,管道及其建筑物的级别为3级,采用20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核。
(2)重力流工程组成;二干起点为总干末端调蓄水池,向正南方向在唐庄西约1 km处穿S331公路,经北陈、窑则头(在桩号R4+249穿铁路,在桩号R6+777处穿过许河)在桩号R9+350到达界牌岭,然后向南(在桩号R10+216.69穿S227公路,在桩号R10+567.22穿铁路)经莒山煤矿、双王庄、南庄、东、西板桥村至渠头村西南侧的二干末端蓄水池。输水线路全长约18.1km(总干末端蓄水池至二干末端蓄水池),向南供巴公地区工业用水,设计流量1.11 m3/s。重力流系统布置图见图2,供水管道采用玻璃钢管,管径DN800 mm,糙率率选用0.009。供水管道水锤计算的基本资料见表1。
总干末端调蓄水池水位(920.5 m)～二干末端蓄水池水位771.0 m,其中的管道长度18.1km,管道采用DN800 mm玻璃钢管,该区段静水头为149.5 m,设计流量Q=1.11 m3/s。
重力流最终的削能减压措施为网孔套筒式减压阀。
2.1.3 本研究的主要内容及工况
计算流量为设计流量Q=1.11 m3/s,摩阻系数分别取f=0.0089、f=0.0090、f=0.0095计算。本课题研究的主要水力过渡过程的数值模拟即:阀前输水管道压力控制在1.3倍的工作压力以下,确定套筒阀阀的关闭规律;模拟计算分析压力管线的压力分布情况。
2.2 张峰水库二干管线重力流水锤计算机数值模拟结果分析
本研究在设计流量工况、不同摩阻系数、调流调压阀不同关阀规律(时间)条件下,根据重力流供水工程水锤计算的有关技术要求,模拟计算整个供水系统的水锤压力。在本工程重力流的相关技术资料已经提出的基础上,通过模拟计算提供重力流最大水锤压力分布状况,提供最大水锤压力的包络线及对应的时间过程,校核该供水工程的设计方案的合理性。
2.2.1 模拟计算的工况优化和计算结果分析
管材为玻璃钢管,管径DN=800 mm,水击波速c0=929.49m3/s,设计流量Q设=1.11 m3/s,分20段计算。静水头H0=149.5 m,计算中取摩阻系数f=0.0089、f=0.0090和f=0.0095,分别在调流调压阀不同关阀规律(时间)和不同摩阻系数下计算关阀时间分别为200 s、350 s、400 s时的关阀水锤压力特征值。
为避免阀门使用中出现震动和超常的噪声,阀门的最小进口水头与阀门最大出口水头之差控制在规范运行的条件下,在供水系统稳态运行研究的基础上,以关阀指数不同进行模拟计算的工况优化,通过模拟计算提供重力流最大水锤压力分布状况,提供最大水锤压力的包络线及对应的时间过程,校核该供水工程的设计方案的合理性,计算结果见表2。
鉴于以上计算结果,现列出设计流量Q设=1.11 m3/s,摩阻为0.0 095、关阀指数为1、关阀时间为400时的个参数关系图:
分析本段重力流的计算结果,关阀指数为2时,各个摩阻系数计算下的最大压力值均超过稳态工况压力的1.3倍,但均在稳态工况压力的1.5倍范围内。其他工况下计算的最大压力均在稳态工况压力的1.3倍以内。计算中关阀时间小于200 s时,最大压力均超出稳态工况压力的1.5倍范围,因此关阀时间设置在350以上。计算关阀时间超出400 s后,最大压力值变幅较小,结果表明关阀时间在400 s以内即可满足供水系统的运行要求,因此建议关阀指数取y=1,关阀时间取350 s~400 s。在满足供水系统安全运行的基础上,通过上述的分析,在大量的计算方案比较研究的基础上,建议调流调压阀阀门开度与流阻系数满足下列要求,调节阀特性曲线图见图6,建议调节阀特性数据表见表3。在上图和上表中,y表示调节阀开度相对值,当y=0.0时,表示阀门全关;当y=1.0,表示阀门全开。表示阀门局部阻力系数。
2.2.2 模拟计算结果分析
(1)从调流调压阀防护下的水锤模拟计算的压力管路最大压力的分布结果可以看出,该阀作为压力管路的主要安全防护手段,效果较好.但该阀门在供水工程的运行中,要经过调节阀门的合理现场调试,才能真正实现水锤的消除。
(2)模拟计算结果(见前面的分析)提出了调流调压阀防护下对于该系统压力管路安全防护的最优关闭行程;供水工程利用调流调压阀防护下作为压力管路的主要安全防护手段,满足系统的水力过渡过程情况下的特殊安全要求。
(3)压力管路最大及最小水锤压力包络情况的分析,为压力管路的合理设计提供了技术支持。
(4)需要说明的是:本研究计算结果是数值模拟的,所采用的数据全部以山西省水利水电勘测设计研究院提出的数据为计算的基准。而且在压力管路的3个区段内,设计中已经考虑了数量不同的进排气阀,因此本研究的结论是偏于安全的。随着供水工程工程建设完成后,调流调压阀水力特性的确定,该系统的水锤压力分布可进一步优化。事故水锤下的过渡过程,很大程度上取决于调流调压阀的水力特性,因此调流调压阀的选择必须从制造工艺、制作质量、运行的灵活性等方面严格要求。
(5)重力流水锤的分析计算中,水柱分离及其再弥合的计算由于涉及到两相流的问题,其物理模型与数学模型的建立都有一定的近似性,因而其计算的准确可靠性比单相流的情况稍差。有关理论研究的实验研究表明:当系统中有明显的凸部时,有可能在局部位置产生明显的水柱分离,本研究系统中调流调压阀防护下的水力过渡工程模拟结果表明:没有水柱分离的现象发生,说明调流调压阀防护下进行系统安全防护的方案选择是合理的。
(6)重力流水锤的分析计算说明,山西省水利设计院提出的该供水系统的布置是基本合理的,建议采用调流调压阀进行供水系统的水锤防护措施是可行的。