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长距离输水管线安全运行的水力过渡过程研究

于景洋  
【摘要】: 长距离输水管线把位于较远的水源输送到城镇,解决了城镇水源短缺以及水源单一的问题,但长距离输水管线多为单管或双管,其运行安全问题成为输水工程中的重点和难点。而长距离输水管线出现安全问题的流态常集中水力过渡过程,根据非满流和有压流水力过渡过程理论,分析流体状态,建立数学模型,分析安全运行的影响因素,解决影响输水安全的灌水流量、水头线到达时间、流量安全调节、安全停水等工程问题。 水力过渡过程是指当水流从一种稳定状态变为另一种稳定状态时,两稳定状态间的过渡流态。水力过渡过程是输水管线出现安全问题的主要原因,只有在试通水、运行过程中建立平稳的水力过渡过程,才能保障输水管线的供水安全。 建立输水管线水力过渡实验平台,采用压力、流量检测以及视频分析的手段,对输水管中的非满流和有压流的水力过渡过程参数进行观测,将实验结果与提出的非满流水头到达时间的体积算法、有压流水力过渡过程特征线法分析相结合,进行理论分析,进行数值模拟,把研究成果应用到实际工程的试通水过程及运行过程。 根据非满流水面与大气相通的性质,定义长距离输水管线的U形管为下游峰点管中心标高与谷点管中心标高之差大于输水管径的管段。因长距离输水管线根据地势敷设,形成多个串联的U形管,把复杂的试通水过程归结为非满流问题。通过分析U形管非满流水力工况,推导出临界积分流量、U形管的非满段水头到达时间、U形管水位上升、U形管溢流稳定时间、关小末端阀门充水、提高管线进水流量的计算公式,并通过实验进行检验。根据水头到达时间对输水管沿线进行监控,及时发现漏水点并进行维修。把试通水过程分为灌水阶段、充水阶段和通水阶段,用研究成果指导试通水过程,防止出现事故。 根据有压流水力过渡过程理论,对优化关阀时间的瞬变流反问题进行研究,分析两阶段关阀的分割点和优化关阀时间的约束条件,并进行优化求解。输水管线在漏水或维修时,要尽快关闭阀门,但过快关阀的水力过渡过程中产生剧烈水锤,因此需要优化关阀时间指导运行过程的关阀操作。优化关阀时间的约束条件采用输水管沿线所有管段的最大水压小于承压能力,所有管段的最小水压大于饱和蒸汽压。 通过对长距离输水管线非满流、有压流水力过渡工况进行分析,总结输水管线安全输水理论,并把长距离安全输水理论应用到试通水过程和运行过程中。试通水过程中,提出长距离输水工程U形管理念,利用数值方法模拟试通水过程中的灌水阶段、充水阶段和通水阶段,指导试通水过程安全有序进行。运行过程中,根据蝶阀特性曲线的特点,分析两阶段关阀的分割点,提出采用流量系数区间的5%位置为分割点;对最小关阀时间的有压流瞬变反问题优化求解,经比较两阶段关阀在保障输水管安全的前提下关阀时间较短,计算结果可直接指导长距离输水管线阀门关闭方案。 通过对水力过渡过程的研究,建立长距离输水管线的数值模拟与分析体系,指导长距离输水管线的运行安全。研究成果可推广到其它长距离输水工程的试通水过程和运行过程中,保障城市供水安全。


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