CN1121536C

CN1121536C - 自压式输引水工程的控制方法

Info

Publication number: CN1121536C
Application number: CN00137588A
Authority: CN
Inventors: 梅一民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: CN1361332A

Abstract

本方法为一种自压式输引水工程的控制技术。利用平坡段B与其尾端上弯性质水道的正水封C的自然封闭作用，保持系统内始终充水；设置较陡的斜坡式或直落的跌水式封闭水道所形成的陡坡段E，与系统前侧的进水控制闸阀A相配合，利用陡坡段E处的间断性脱空进行消能，提供不同的内部水头，从而达到输引的流量越大，系统内的分布水压力就越大，输引水的流量越小，系统内的分布水压力就越小的目的。

Description

自压式输引水工程的控制方法

(一)技术领域

本发明涉及自压式输引水的控制技术，主要用于较大流量的供水输水工程，尤其适用于远程较大流量的压力供水输引水工程。

(二)背景技术

在较大流量的自流式供水输水工程中，如果工程条件允许，采用压力输水在造价和运行管理方面相对于重力输水来说具有很大的优越性。但也带来了许多技术问题，若处理不当，不但造价很高，而且可能引发安全事故，及造成大量的弃水，目前尚不能有效地解决。

水力发电的输引水系统也属于自流式的压力输水系统，与自流式供水输水工程不同的是，它要求把水量和压力同时送到尾端，整个输水系统的压力较高，对结构和运行控制的要求较高，造价也较高，但其输水的距离一般不长。供水工程中的自流式压力输引水系统是一种承担单纯供水任务的输水系统，仅要求把水量和少量的水头送至尾端，而要求把主要的压力水头合理地消耗在输水的全程上，用以克服输水阻力。在这种供水输水的系统中，若能有效地防止放空，始终有效地维持全系统的相对低压，有效地防止水击，以及有效地防止充水排气过程中滞留的高压缩紊流空气所带来的破坏作用，就可以减小全系统特别是中后段的结构强度，降低造价，并消除运行过程中的安全事故和放空情况。特别是对于有条件采用以隧洞或钢筋混凝土管(箱涵)为主的自流式远程较大流量的压力供水输水工程，由于这些工程特殊的结构特性，在各种工况下始终保持合理低压的问题就显得格外重要。

在恒定的设计流量情况下，维持全系统的相对低压比较容易实现。但输水流量是变化的，在小于设计流量的情况下，尤其是小流量时，由于整个输水过程中的水头损失很小，此时按照目前工程上所采用的技术手段，会有以下的几种情况：

1、当进水的控制设施设在系统的首端时，在小流量的情况下，由于水压力的自然平衡作用，使得从进口开始直到中后段，均可能出现范围很大的、变化的无压明流区和半有压的过渡区。这种混乱的流态所产生的拍打等具有相当的破坏力。同时这种控制方法很容易产生放空，故对系统的有效控制很困难。

2、当输水量的控制设施设在系统的尾端时(如水力发电工程)，在总水头一定的情况下，系统内部的水压力分布就决定于沿程的水头损失情况。恒定的设计流量情况下，维持全系统的相对低压比较容易实现。但输水流量是变化的，在小于设计流量的情况下，尤其是小流量时，由于整个输水过程中的水头损失很小，此时水压力就不能有效地消耗在输水的全程上，很大的压力水头就会传递到尾端。另外，输水量的控制设施设在系统的尾端时会出现水击所产生的高压问题。这些均会使得整个系统特别是中后段的压力升高，需要采用高强结构，造价很高。

3、在系统的进口侧、出口侧以及沿程，同时设置流量的控制设施，采用电子技术进行控制，用以调整不同流量的情况下，长距离的封闭式输水系统内部的压力分布，使之维持低压运行，这在理论上是成立的。但这样的控制系统非常复杂，而且可靠性很差，极易因误操作或失控而引发高压可能带来的工程事故，或带来系统的放空。

4、在系统的尾端或中间设置大容量的调节水池(库)，可以使得系统能够保持在相对恒定的设计流量下运行。但这需要具备建设调节水池的工程条件，而且投资很大。

上述的几个问题，目前尚不能有效地解决，这是一大技术难题。若不能妥善解决，不仅系统的造价很高，而且极易因为人为或设备的误操作而引发安全事故，及产生全系统放空等，造成大量的弃水。目前对自流式供水输水工程进行设计时，全系统均按全压力加上水击压力进行考虑，均采用高强的结构措施。这种做法对于小流量的情况尚能够接受，而对于大流量长距离的输水工程，往往由于造价太高，和运行中难以控制而改用明流的重力输水的方式。采用重力输水的造价也不低，而且运行控制不灵活，水量损失大。

(三)发明内容

本发明的任务是针对目前自压式大流量远程供水输水工程系统的控制技术所存在的缺陷，提供一种在不同的流量下，有效地自动调整和控制维持内部低压和防止弃水的方法。达到引输的流量越大，系统内部的分布压力就越大，引输的流量越小，系统内部的分布压力就越小的目的。使得该系统始终保持在低压的状态下运行，并不产生弃水浪费。

该自压式输引水工程的控制方法，利用水位差进行压力输水，输引水流量的大小由系统的前侧控制，其特征在于压力输水道中采用陡坡段，利用陡坡段脱空消能时脱空处的水位，为其后的系统提供内部水头，从而达到输引水的流量越大，系统内部的分布水压力就越大，输引水的流量越小，系统内部的分布水压力就越小的目的，使系统内部的分布压力大小与其所输引水的流量成比保持低压运行；

该自压式输引水工程的控制方法，其特征还在于封闭的压力水道内采用平坡段，平坡段的尾端设置上抬的正水封，使其前侧的平坡段水道内始终保持充满水的状态。并且不产生弃水浪费。

本处所说的陡坡段为坡度很陡的封闭水道，可以是跌水，也可以是陡坡。本处所说的正水封为上抬的水道，可以是上弯的弯头，也可以是挡水堰。

本发明与前述公知的技术相比，具有能有效地自动调整和控制自压式大流量的输引水系统，使之始终保持在低压的状态下运行和不产生弃水浪费的优点，而且具有工程造价低及安全可靠等优点。

(四)附图说明

附图为本发明的举例。

该自压式输引水工程为一个封闭的水道，在其前侧设进水控制闸阀A(位于首端或前部，或分岔支线的前侧，均简称为进水控制闸阀A)；在纵剖面上设置一段或数段零纵坡或纵坡非常平缓(可以存在下弯的情况)的平坡段B；沿程在合适的部位设置与各平坡段相配套的上抬的正水封C、通排气口D和陡坡段E(或跌水，均简称为陡坡段E)；末端和部分必要部位的通排气口D可兼作溢流口。系统的出水口F基本上不采取调节性的控制措施，可以直接进入水厂的集水设施。

整个系统的纵剖面设计，应综合考虑和利用地形地质等工程条件，合理地确定在引输设计流量和典型小流量的情况下，系统内部的压力分布。

对系统各个部位具体的几何形状尺寸和结构进行设计时，应考虑水流的平顺和消能等水力上的要求，考虑通排气的顺畅。同时，对于整个系统应考虑施工上的要求、运行中的集碴和检修期的放空等其它使用上的要求，另行设置相应的配套建筑物。

(五)具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

一、各建筑物的功能

1、进水控制闸阀A

可以是设在前侧(首端或前部)的进水控制闸阀，亦可以是设在分支线处的分流闸阀，用以控制该闸阀以后系统的输水流量。由于系统的出水口侧基本上不采取调节流量的控制措施，故系统的引输水流量基本上由设在其前侧的进水控制闸阀A来控制。从而使得进水流量的控制处理变得十分简单。

2、平坡段B

为封闭的引水道，采用零纵坡或非常平缓的纵坡，为主要的输水通道。采用零纵坡或非常平缓纵坡的目的是使之在其尾端正水封C的自然封闭下，能够处于完全充水的状态。故平坡段内可以存在倒虹吸等下弯的情况，并可利用下弯等位置较低的部位设置供检修用的放空设施。

3、正水封C

正水封C为上抬的水道，由上弯的水道或内部的挡水堰形成，其作用是维持其前侧的平坡段B始终处于完全充水的状态，在各种运行工况下均不会发生放空。对该部分的形状和结构处理进行设计时，应注意考虑其施工方便和水流平顺等的要求。

4、通排气口(部分兼溢流口)D

可以是相对高位的进排气通道，也可以是自动的通排气阀。在系统充排水时起通排气的作用，在正常运行的过程中起破坏真空的作用；末端和部分必要部位的通排气口可兼做溢流口，其作用是采用溢流的方式，消除可能出现的超压。

5、陡坡段E

为一段纵坡比较陡竣的封闭水道，亦可以做成封闭的垂直下落的跌水型式。其作用是用以调整不同流量时系统内部的内水压力。在运行的过程中，随着引水流量的变化，陡坡段E内的水流呈满流即连续，和不满流即间断(脱空)的变化。通过各级陡坡段E自动递推出现的满流连续，和间断脱空形成的消能作用，为整个输水系统提供基本连续变化的，不同的内部输水水头，从而起到自动调节系统内部水压力的作用。该部分的形状和结构强度设计时，应注意考虑其封闭腔内部的陡坡溢流和消能等的水力要求。

6、系统的出口F

系统的出口端原则上不作调节流量的控制，直接进入水厂的集水设施。可以用水厂集水设施的水位作为系统尾端的“水封”。

二、系统的运行

1、当进水控制闸阀A引进设计流量时，压力水头在输送这一水量的过程中消耗在整个沿程上，系统内的压力分布为设计的分布情况。可以根据地形地质条件，因地制宜地通过对整体和各分段纵剖面的合理设计，使得全系统的压力处于相对低压的状态。

2、当进水控制闸阀A所引进的流量从设计流量开始逐步减小时，由于系统整个沿程的水头损失减小，即所需要的水头减小；并由于前侧受到进水控制闸阀A或正水封C的制约，以及通排气口D所产生的消除真空的作用，水压力的自然平衡作用会逐步使得各级陡坡段E，从其上部正水封C的顶部开始出现间断脱空。各陡坡段E的内部会形成一种消能的工况，消除陡坡段E上的水流余能。各级陡坡段E脱空处的水位，与其后平坡段尾端正水封C处的次级陡坡段顶端的水位差，或末级陡坡段E脱空处的水位与系统尾端之间的水位差，正好等于该段克服阻力，输送这一水量时所需要的水头。随着前侧引进流量的减少，输送水量所需要的水头进一步减小，各级陡坡段E处间断的脱空量逐渐增大至完全脱空，处于消除该级水流余能的工况，并逐渐过渡到所有的陡坡段E。从而会产生输水的流量越小，整个系统内部的压力就越小的效果。

3、当进水控制闸阀A的引水流量从零开始逐渐增大时，系统整个沿程的输水阻力亦随之逐渐增大，即所需要的水头增大，水压力的自然平衡作用会使得各级陡坡段E内的水位升高，间断的脱空量减小。各级陡坡段E脱空处的水位，与其后平坡段尾端正水封C处的次级陡坡段顶端的水位差，或末级陡坡段E脱空处的水位与系统尾端之间的水位差，正好等于该段克服阻力，输送这一水量时所需要的水头。此时各陡坡段E处同样会形成一种消能的工况，消除陡坡段E上的水流余能。在此工况下，各陡坡段E的内部均处于脱空和消能的状态。随着前侧引进流量的增大，输送水量所需要的水头进一步增大，各级陡坡段E内的水位逐渐升高，脱空量逐渐减小至形成连续的满流状态，并逐渐过渡到所有的陡坡段E。从而会产生输水的流量越大，整个系统内部的压力就越大的效果。最后达到设计的最大流量时，系统内部的压力分布成为设计的分布情况，此时全系统的压力最高。

4、当进水控制闸阀A关闭不引水时，由于正水封C和水厂集水设施的自然封闭作用，使得其前侧的各平坡段B保持充满水的状态，不会放空，仅是各陡坡段E的小范围内呈间断的脱空状态。当进水控制闸阀A重新开启引水时，系统内不需要重新充水，只需要适当控制闸阀A的开启速度即可。同时由于正水封C的作用，使得其前侧的平坡段B产生连通管的效果，以压力波的形式高速传递水流的变化，整个输水系统就能在短时间内调整运行状态，使得整个系统的控制变得灵活和方便。

5、由于采用水厂集水设施的水位作为系统尾端的“水封”，集水设施开畅式的溢流口，可以排除水击的威胁；同时可以消除在水厂停水而系统前侧进水控制闸阀A全开的失控情况下，可能出现的超压威胁。这时将有一定的水量损失，故系统的首端宜设置备用的事故闸阀。作为一种安全防范措施，也可以在系统的尾端利用通排气口，设置相对低位的自由或自控的溢流口；在系统的中间部位为分流等要求所设置的控制闸阀A的前侧，亦应设置安全溢流口。

Claims

一种自压式输引水工程的控制方法，利用水位差进行压力输水，输引水流量的大小由系统前侧的进水闸阀(A)控制，压力输水道中采用一段或数段平坡段(B)，其特征在于平坡段(B)的尾端设置上抬的正水封(C)，正水封(C)的后面设置陡坡段(E)；利用正水封(C)的自然封闭作用，使得前侧的平坡段(B)内始终保持充满水的状态；利用陡坡段(E)脱空消能时脱空处的水位，为其后的系统提供内部水头，自动调节系统的内部压力，使系统内部的分布压力大小与其所输引水的流量成比保持低压运行。