長距離輸水工程管道水擊壓力防護控制技術(shù)研究

長距離輸水工程管道水擊壓力防護控制技術(shù)研究

1調(diào)整控制回路設(shè)計萬家寨黃北支線工程是一項大型引水工程，主要用于解決大同和朔州市的工業(yè)和居民生活用水問題。北干線起點從下土寨分水閘開始至大同的墻框堡水庫,全長154km。中間主要建筑有:無壓輸水隧洞、1#輸水線路、金沙灘水庫、2#輸水線路。北干輸水線路布置如圖1所示。1#輸水線路從無壓隧洞出口豎井起至金沙灘水庫止,全長74.25km。采用內(nèi)徑2.2m的PCCP有壓輸水,設(shè)計流量在9.9~7.7m3/s之間。2#輸水線路從金沙灘放水工作閥起至墻框堡水庫末端式調(diào)流調(diào)壓閥,線路全長38.53km。采用內(nèi)徑2.2m的PCCP有壓輸水,設(shè)計流量在7.3~6.0m3/s之間。引黃北干線1#、2#輸水線路特點是:線路長,地形變化大;供水流量變幅大、在小流量供水時1#、2#輸水線路都需要消能處理。當調(diào)節(jié)供水流量時,管道內(nèi)產(chǎn)生的水擊比較復雜,對管線影響比較大,管線流量調(diào)節(jié)裝置直接影響到了管線設(shè)計和投資,也直接影響輸水安全和可靠性。調(diào)節(jié)控制閥的選型設(shè)計中,主要問題是:何種型式的調(diào)流減壓設(shè)備能滿足輸水線路運行要求,并使工程造價最低;根據(jù)調(diào)流減壓設(shè)備的特性選擇合理安裝位置,節(jié)省管線造價;然后是根據(jù)輸水線路的特性指標選擇調(diào)流減壓設(shè)備的運行方式,以達到輸水線路的安全。2系統(tǒng)的選擇應(yīng)用目前國內(nèi)使用在輸水線路上的既能調(diào)流又減壓的設(shè)備主要有調(diào)流調(diào)壓閥(簡稱調(diào)節(jié)閥),其結(jié)構(gòu)型式有兩種,一是活塞式,二是多噴孔套筒式,如圖2。這兩種調(diào)節(jié)閥在減壓及調(diào)節(jié)方式上基本相同,不同點主要在結(jié)構(gòu)方面。多噴孔套筒閥還分為在線式和淹沒式,在線式是串在輸水線上安裝,淹沒式是安裝在輸水線末端。多噴孔套筒閥其結(jié)構(gòu)比活塞式要長很多,閥行程比較大,消能噴孔是以螺旋梅花狀布置,流量調(diào)節(jié)變化連續(xù)性好,全行程流量調(diào)節(jié)為線性變化,調(diào)節(jié)精度高?；钊绞切￠_度時線性變化較好,大開度時流量變化較大,開度線上翹。根據(jù)北干線工程布置及運行調(diào)節(jié)要求,選擇調(diào)節(jié)精度高的多噴孔套筒閥比較合適。1#輸水線因進、出口壓差比較大,選擇在線式調(diào)節(jié)閥,使管線分為兩段,降低管道設(shè)計壓力。2#輸水線進、出口壓差比較小,可選擇末端淹沒式調(diào)節(jié)閥。3流量調(diào)節(jié)和壓力設(shè)計的特性優(yōu)化3.1在線式斷閥系統(tǒng)對于1#輸水線路,如果將調(diào)節(jié)閥安裝在出口,調(diào)節(jié)閥關(guān)閉狀態(tài),閥前管道靜水壓可達到216m水頭,1#輸水線PCCP管道后半部分設(shè)計的壓力等級應(yīng)按220m水頭選取,這樣PCCP管道造價很高,顯然不合理。如在1#輸水線路,樁號56+430m處設(shè)置在線式調(diào)節(jié)閥,安裝處高程比管道出口低9m,可保證閥后管道滿管狀態(tài)運行,并保證調(diào)節(jié)閥裝置氣蝕性能要求。當調(diào)節(jié)閥在關(guān)閉狀態(tài),調(diào)節(jié)閥上、下游管道最大靜水壓力約為137m和82.75m水頭;當調(diào)節(jié)閥在額定流量運行狀態(tài)下,調(diào)節(jié)閥上、下游管道最大水壓約為107m和150m水頭。PCCP管道的最大設(shè)計壓力等級按閥前后最大水壓選取,可取140m和160m水頭。這樣可以大大降低PCCP管的壓力等級,從而大大節(jié)省管道投資。對于2#輸水線路,管道基本是下降趨勢,進、出口壓差不大,不宜在中部設(shè)在線式調(diào)節(jié)閥,應(yīng)在管道末端設(shè)淹沒式調(diào)節(jié)閥,這樣可保證管道滿管狀態(tài)運行。3.2改進的控制閥特性由于1#、2#輸水線路較長,當調(diào)節(jié)閥啟閉過程中,將在管道中產(chǎn)生水擊壓力波動,為了將水擊壓力限制在管道設(shè)計最大容許壓力(公稱壓力+0.4MPa)的范圍內(nèi),調(diào)節(jié)閥的性能及關(guān)閉規(guī)律就非常重要。工程項目前期階段,我們收集到了三種調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與閥門相對開度的關(guān)系曲線,見圖3所示。特性線基本為線性變化趨勢。經(jīng)全開、全閉過渡過程計算分析,在滿足管道設(shè)計水壓控制要求的前提下,在線調(diào)節(jié)閥和末端淹沒調(diào)節(jié)閥一段全行程關(guān)閉時間分別為1500s和2500s。目前,國際上的執(zhí)行機構(gòu)是無法滿足這一關(guān)閉時間要求?？紤]到本工程的運行特點及調(diào)節(jié)要求,采用其它閥門無法滿足工程要求。因此必須改變原有的關(guān)閉規(guī)律或調(diào)節(jié)閥特性,使調(diào)節(jié)閥能適應(yīng)管道水擊壓力控制要求。在管線過渡過程分析成果的基礎(chǔ)上,提出新的設(shè)計理念和方法。一是改變控制方式采用快、慢兩階段關(guān)閉規(guī)律;二是將原有的調(diào)節(jié)閥特性改變。采用第一種方法要增加一套液壓操作系統(tǒng),占地面積較大,檢修維護不方便,并且,由于慢關(guān)階段時間較長,節(jié)流閥開孔較小,容易發(fā)生堵塞。第二種方法是改變調(diào)節(jié)閥噴孔特性,投入較少,不增加任何輔助設(shè)備。上述方法比較第二種方法投入少,比較合理。原調(diào)節(jié)閥特性見圖3,在圖3中調(diào)節(jié)閥TS810E1000-16和TS810E1500-16型結(jié)構(gòu)特點是噴孔按螺旋梅花狀均勻分布,大小相同,開度與流量關(guān)系線基本是線性,無法滿足管線過渡過程分析要求。改變調(diào)節(jié)閥特性就是調(diào)整噴孔的數(shù)量、大小、布置方式,使調(diào)節(jié)閥在勻速關(guān)閉的流量—開度關(guān)系線與液壓操作兩階段關(guān)閉調(diào)節(jié)閥的流量—開度關(guān)系線相同,達到快速關(guān)閉70%的過流面積,剩余面積緩慢關(guān)閉,實現(xiàn)了勻速關(guān)閉情況下的實質(zhì)兩階段關(guān)閉。經(jīng)過改進設(shè)計后的調(diào)節(jié)閥特性見表1和圖4,新型調(diào)節(jié)閥TS810E1200-16和TS811E1200-10代替原來的TS810E1000-16和TS810E1000-16,新型調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)特點是沿軸線分布的噴孔大小不一,前部(小開度時)孔徑小,后部(大開度時)孔徑大,噴孔數(shù)量調(diào)整為210個,噴孔直徑分別為Φ28mm、Φ34mm、Φ49mm、Φ94mm,見圖5。新型調(diào)節(jié)閥的閥前后管道壓力控制值見表2。經(jīng)過渡過程計算分析在滿足管道設(shè)計水壓控制要求的前提下,在線調(diào)節(jié)閥和末端淹沒調(diào)節(jié)閥一段全行程關(guān)閉時間分別縮短為400s和600s。保證了管線運行安全。4改進控制閥的設(shè)計理念引黃北干線輸水工程地形復雜,輸水線路長,調(diào)節(jié)產(chǎn)生的水擊過渡過程復雜,但采取合理調(diào)節(jié)技術(shù)和方法可大大減少工程投資,提高工程運行安全性。根據(jù)1#、2#輸水線路地形變化較大的特點,分別選擇調(diào)節(jié)閥合理的設(shè)置位置,使輸水管線