長距離管道有壓自流輸水工程末端閥門的選擇
發(fā)布于：02-11
1概述近年來長距離的大型調(diào)水工程趨向于采用有壓管道輸水。借助于地形上的優(yōu)勢(shì)，部分工程有條件實(shí)現(xiàn)自流輸水。為了調(diào)節(jié)輸水流量或應(yīng)對(duì)輸水工程設(shè)施的突發(fā)事件，必須在輸水管道上設(shè)置控制閥門。
1?概述
近年來長距離的大型調(diào)水工程趨向于采用有壓管道輸水。借助于地形上的優(yōu)勢(shì)，部分工程有條件實(shí)現(xiàn)自流輸水。為了調(diào)節(jié)輸水流量或應(yīng)對(duì)輸水工程設(shè)施的突發(fā)事件，必須在輸水管道上設(shè)置控制閥門
?？刂?strong>閥門
如設(shè)在輸水管道的末端，其優(yōu)點(diǎn)是可直接調(diào)節(jié)流量，操作方便，很容易為業(yè)主接受，但是若操作不當(dāng)易發(fā)生水錘事故。控制閥門如設(shè)在輸水管道的首端，雖然可以避免發(fā)生水錘的困擾，但是運(yùn)行管理不方便，調(diào)節(jié)流量反應(yīng)慢，而且緊急情況下會(huì)發(fā)生大量棄水。后置控制閥的工程實(shí)例較多，但協(xié)調(diào)關(guān)閥速度快慢和水錘壓力大小之間的矛盾是控制閥后
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置方案設(shè)計(jì)中一個(gè)重要課題。關(guān)閥速度與關(guān)閥方式
都會(huì)影響水錘壓力的大小。如后置控制閥（以下簡(jiǎn)稱末端閥）關(guān)得快，水錘壓力就大。若要水錘壓力小，必須慢關(guān)閥門。有的閥門須執(zhí)行先快后慢的兩階段關(guān)閥方式，才能既節(jié)約關(guān)閥時(shí)間，又減緩水錘壓力。本文介紹通過計(jì)算機(jī)仿真數(shù)值計(jì)算模擬各類閥門，調(diào)整關(guān)閥方式、關(guān)閥速度與水錘壓力的關(guān)系，并給出工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果。
2末端閥數(shù)學(xué)模型
末端閥（圖1）串聯(lián)在管道中，即閥門兩端都與管道相連接。
圖1末端閥數(shù)學(xué)模型
2.1?特征線方程
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式中h=H/Hr，q=Q/Qr，分別代表無量綱瞬變水頭和流量，它們都是距離x和時(shí)間t的函數(shù)。H、Q為管道瞬變水頭和流量。下標(biāo)r為額定值。A、g、f和a分別為管道斷面積、重力加速度、水力摩阻系數(shù)和水擊傳播速度。
2.2?閥門邊界條件
根據(jù)圖1，由伯努里方程有整理式（2）并令
則有
無量綱化式（3），則
簡(jiǎn)寫式（4）為
閥門阻力系數(shù)Ck的表達(dá)式為
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若閥門前后管徑相等，則有η=1，式（6a）可簡(jiǎn)化為
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閥門阻力系數(shù)Ck與ξ成正比。
2.3?連續(xù)方程
將式（1a）、（1b）和式（7）代入式（5），則
從而得到關(guān)于qp的二次方程
求解式（8）可以得到下一時(shí)段瞬態(tài)流量qp。
3?末端閥選型比較
3.1?閥門特性曲線
在大多數(shù)情況下廠家會(huì)以流量－開度關(guān)系曲線的形式提供閥門的流量系數(shù)Kv。流量－開度關(guān)系曲線通常稱為閥門特性曲線（圖2）。末端閥邊界條件數(shù)學(xué)模型對(duì)于蝶閥
、閘閥
及活塞閥等類型閥門都是適用的，只是不同類型閥門有各自不同的特性曲線。數(shù)值計(jì)算中可以將閥門特性曲線擬合成多項(xiàng)式，也可以直接將曲線數(shù)值化，以數(shù)組形式輸入程序。
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圖2閥門特性曲線
流量系數(shù)Kv是流動(dòng)介質(zhì)溫度為20℃時(shí)閥門兩端壓力降為1bar時(shí)的過流能力。流量系數(shù)與閥門兩端的壓力差的關(guān)系為
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式中?ΔP———閥門兩端的壓力差，MPaQ———流經(jīng)閥門的流量，m3/hρ———介質(zhì)密度，kg/m3
Kv———流量系數(shù)，m/h通過閥門的水頭損失系數(shù)hf為
考慮式（9）和（10）的單位，則有
分析式（11），閥門局部水頭損失系數(shù)ξ與流量
系數(shù)Kv的平方成反比。
3.2?閥門型式的比較
以某長距離（50.1km）自流有壓輸水工程（簡(jiǎn)稱W工程）為例，進(jìn)行末端閥為蝶閥
或活塞閥的比較計(jì)算，判別這兩種閥門用于長距離有壓自流輸水工程的末端閥在關(guān)閥過程中性能。該工程（B管）單管輸水流量1.21m3/s。關(guān)閥時(shí)間從60～2500s共分19組（表1，圖3）。由于在樁號(hào)k47+366m處輸水管線高程很低，所以關(guān)閥過程中最高水錘壓力不是在末端閥前，而是在樁號(hào)k47+366m處。表1不僅給出了末端閥前的最高水錘壓力，還給出了樁號(hào)k47+366m處的最高水錘壓力。為了便于比較，末端閥關(guān)閉速度是線性關(guān)閉速度。由圖3及表1可以看出關(guān)閥時(shí)間大于500s后活塞閥方案的水錘壓力遠(yuǎn)小于蝶閥方案（如以閘閥
代替蝶閥，計(jì)算結(jié)果與蝶閥相似）。因而長距離有壓自流輸水工程的末端閥應(yīng)優(yōu)先選用活塞閥。
表1末端閥為蝶閥或活塞閥不同關(guān)閉速度與端閥前和管線上發(fā)生的最大水錘壓力
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圖3蝶閥與活塞閥不同關(guān)閥速度水錘壓力比較
4?活塞閥關(guān)閥方式分析
末端閥采用蝶閥（或閘閥）的長距離自流輸水工程，為了降低管線上的水錘壓力，需要將關(guān)閥時(shí)間設(shè)置得很長。管線若長達(dá)幾十千米，則勻速
（線性）關(guān)閥時(shí)間往往要1000s甚至2000s以上。為了減少關(guān)閥時(shí)間，可以采用先快后慢的兩階段關(guān)閥方式。以W工程為例，末端閥為蝶閥，1000s線性關(guān)閥，末端閥前最高水錘壓力為1.37MPa，樁號(hào)k47+366m處為1.98MPa。如改用兩階段關(guān)閥，前60s快關(guān)到15°，到600s全部關(guān)閉，則末端閥前最高水錘壓力為1.11MPa，樁號(hào)k47+366m處為1.69MPa。比較計(jì)算結(jié)果可見，采用先快后慢的兩階段關(guān)閥方式不僅可以縮短關(guān)閥時(shí)間，而且大幅降低了系統(tǒng)的最高水錘壓力。因而分析活塞閥方案是否也可以采用先快后慢的兩階段方式關(guān)閥，以此達(dá)到既縮短關(guān)閥時(shí)間，又降低水錘壓力的雙重目的。
表2為活塞閥不同關(guān)閉方式的測(cè)試結(jié)果。工況
18是活塞閥方案1000s線性關(guān)閉的計(jì)算結(jié)果，末端閥前最高水錘壓力為0.75MPa，樁號(hào)k47+
366m處最高壓力為1.35MPa。工況20是采用在
60s內(nèi)關(guān)到全部開度的15%，到600s全部關(guān)閉的先快后慢的兩階段關(guān)閥方式，則末端閥前和樁號(hào)k47+366m處的最高水錘壓力都大幅上升了，分別為1.04MPa和1.65MPa。由此可見，設(shè)置活塞閥為末端閥的長距離自流輸水系統(tǒng)，先快后慢的兩階段關(guān)閥方式不一定能降低水錘壓力，如果控制得不好，反而使水錘壓力上升。工況20水錘壓力上升的原因是由于前面的快關(guān)階段（開度）關(guān)得太多太快。在工況25快關(guān)階段是60s關(guān)到全部開度的
75%，剩下的25%開度在后面的540s內(nèi)慢慢關(guān)閉。在這樣放慢關(guān)閥速度的情況下，水錘壓力有所緩和。工況26進(jìn)一步放慢第二階段慢關(guān)速度，總關(guān)閥時(shí)間延長到800s，管線上的最高水錘壓力與
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1000s線性關(guān)閉的工況18相當(dāng)。綜合分析計(jì)算結(jié)
果，活塞閥先快后慢的兩階段關(guān)閥方式并不具有優(yōu)勢(shì)。在工況26，分段關(guān)閥總關(guān)閥時(shí)間為800s，與
1000s線性關(guān)閉相比總關(guān)閥時(shí)間節(jié)省200s，但是兩階段關(guān)閥要承擔(dān)快關(guān)失控的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是快關(guān)動(dòng)作不能按設(shè)定的方式終止而轉(zhuǎn)入慢關(guān)階段，以致直接快關(guān)到底，這樣必然引發(fā)嚴(yán)重的水錘事故。
表2活塞閥方案閥前和樁號(hào)k47+366m處最高壓力（上游校核洪水位367.61m）
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圖4給出了蝶閥、活塞閥同樣是1000s線性關(guān)閥條件下閥前壓力波動(dòng)過程線。蝶閥閥前壓力波動(dòng)過程線在關(guān)閥過程的前700s內(nèi)幾乎沒有反應(yīng)，直到800s以后才能看到壓力有所升高，而活塞閥在200s后即有壓力的明顯上升。因而蝶閥
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在1000s的關(guān)閥過程中只是后面的250s在起關(guān)閥
作用，而活塞閥起作用的時(shí)間長達(dá)800s。即在同樣的1000s線性關(guān)閥的情況下，蝶閥實(shí)際起作用的時(shí)間只有250s，關(guān)閥速度遠(yuǎn)比活塞閥的800s快，因而蝶閥的閥前壓力比活塞閥要高得多。
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圖4蝶閥活塞閥1000s線性關(guān)閥末端閥前壓力過程
5?結(jié)語
長距離管道有壓自流輸水系統(tǒng)的控制閥門如設(shè)在末端，末端閥關(guān)閉時(shí)間一定要充分，否則易引發(fā)水錘事故。末端閥推薦采用活塞閥，活塞閥推薦的關(guān)閥方式是線性關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間由計(jì)算確定。
參?考?文?獻(xiàn)
〔1〕王念慎，鄭大瓊．PSW－2有壓供水系統(tǒng)水力計(jì)算分析程序使用說明〔Z〕．中國水利水電科學(xué)研究院，2004．
〔2〕伊捷爾契克．И．Е．．實(shí)用流體阻力手冊(cè)〔M〕．北京：國防工業(yè)出版社，1986．
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