CN114482201B - 一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构及方法，包括上游蓄水池和加压泵站，所述的上游蓄水池和加压泵站之间依次设有调流阀和稳压塔，调流阀位于稳压塔上游，调流阀上游布置有流量计和压力传感器，稳压塔的上部设有溢流槽，所述溢流槽的高程大于恒定流工况下稳压塔内的最大运行水位，输水系统在大流量工况运行时，调流阀保持全开，依靠泵站加压来满足供水需求，在输水系统在小流量工况运行时，调流阀可根据压力传感器及流量计的反馈值自动控制阀门的开度，削减输水系统富余的压力水头，从而将稳压塔内的水位控制在某一临界值。本发明可减小长距离多支线输水系统稳压塔的高度，降低稳压塔后输水管道的承压等级，从而节省工程投资。

Description

一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构及方法
技术领域
本发明涉及一种减小稳压塔高度的水锤防护结构及方法，尤其涉及一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构及方法。
背景技术
长距离输水工程是解决我国水资源时空分布不均和城市供水不足等问题最直接有效的方式。随着城市的发展和城镇化进程的不断加快，长距离输水工程不断呈现大型化、多支线的发展趋势，工程安全问题也日益突出。水泵抽水断电或阀门突然关闭均会产生水锤，威胁输水系统的安全。由于稳压塔的工程投资相对低廉，且对水锤升压与降压波均具有较好的水锤防护效果，因此在长距离供水工程中备受青睐。
对于长距离多支线输水工程，当输水系统供水流量较大时，稳压塔节点的测压管水头较低，当输水系统在流量较小或者不供水时，稳压塔节点的测压管水头接近或等于上游蓄水池水位。如果按照常规稳压塔的防护结构，迫于小流量或停水工况的限制，稳压塔的高度需要大于上游蓄水池水位，从而导致稳压塔的高度过高，尤其对于上游蓄水池水位较大的输水系统，不仅增加稳压塔后输水管线的承压等级，同时还给稳压塔的建造带来了巨大的挑战。
可见，设计一种能有效降低长距离多支线输水系统中稳压塔高度的水锤防护方案，对长距离多支线输水工程具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构及方法，在保证输水系统安全的同时有效地降低稳压塔的高度。
技术方案：本发明包括上游蓄水池和加压泵站，所述的上游蓄水池和加压泵站之间依次设有调流阀和稳压塔，所述的调流阀位于稳压塔上游，所述的调流阀上游布置有流量计和压力传感器。
所述稳压塔的上部设有溢流槽，稳压塔内的涌浪大于溢流槽的高程时，稳压塔内的水体则通过溢流槽溢流至附近的河流或蓄水池内。
所述溢流槽的高程大于恒定流工况下稳压塔内的最大运行水位。
一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，所述调流阀开度的具体控制条件如下：
Figure GDA0003865595680000021
其中：
Figure GDA0003865595680000022
式中，τ为调流阀的相对开度值，全开为1，全关为0；k为阀门的流阻系数；F(k)为调流阀的流阻系数与开度对应关系曲线；Hv为压力传感器反馈的压力值；Htmax为输水系统正常运行时稳压塔内的最大临界水位值；Q为调流量计的反馈的流量值；g为重力加速度；Ag为调流阀的截面积。
所述稳压塔内的最大临界水位值Htmax由稳压塔后各支线水厂在重力流工况下通过的最大流量决定。
所述的调流阀根据压力传感器及流量计的反馈值自动调节阀的开度。
所述调流阀开度的具体控制方法为：
1)当输水系统流量为零时，通过流量计的流量为零，此时调流阀的开度为零，调流阀前的压力，即压力传感器9的压力值，等于上游蓄水池的水位，稳压塔内的水位保持在最大临界水位Htmax；
2)随着输水系统流量的增加，调流阀前的压力逐渐下降，调流阀不断调节开度，使得稳压塔内的水位一直保持在最大临界水位Htmax，直到输水系统流量达到临界流量Q0时，调流阀前的压力等于稳压塔内的最大临界水位，此时调流阀保持全开，加压泵站无需投入运行；
3)当输水系统需求流量增加，即输水系统流量大于临界流量Q0时，加压泵站投入运行，调流阀保持全开，调流阀前的压力等于稳压塔内的水位，但均小于最大临界水位Htmax。
有益效果：本发明有效减小了长距离多支线输水系统中稳压塔的高度，及稳压塔后输水管道的压力极值，从而降低了稳压塔的施工难度和管道的承压等级。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为稳压塔水位、调流阀开度及阀前压力随输水系统流量的变化关系图；
图3为本实施例的输水工程平面布置示意图；
图4为本实施例的输水工程剖面图；
图5为两种不同防护方案管道沿线最大压力包络线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括上游蓄水池1、压力主管道2、加压泵站6，其中，压力主管道2上设有若干支线水厂分水口7，上游蓄水池1和加压泵站6之间依次设置调流阀4和稳压塔3，调流阀4紧贴稳压塔3上游布置，紧靠调流阀4安装流量计8和压力传感器9，流量计8和压力传感器9位于调流阀4上游，可以实时采集调流阀4前的压力及流量值，并反馈至调流阀4的控制系统。稳压塔3的上部设有溢流槽5，溢流槽5的高程大于恒定流工况下稳压塔3内可能的最大运行水位。
输水系统在供水流量较大时，仅依靠重力即可满足供水需求，在供水流量较小时，需要泵站加压满足加压泵站6后支线水厂的供水需求。
本发明的减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，是调流阀根据压力传感器及流量计的反馈值自动调节阀的开度，具体控制条件如下：
Figure GDA0003865595680000031
其中：
Figure GDA0003865595680000032
式中，τ为调流阀的相对开度值，全开为1，全关为0；k为阀门的流阻系数；F(k)为调流阀的流阻系数与开度对应关系曲线；Hv为压力传感器反馈的压力值；Htmax为输水系统正常运行时稳压塔内的最大临界水位值；Q为调流量计的反馈的流量值；g为重力加速度；Ag为调流阀的截面积，稳压塔内的最大临界水位值Htmax由稳压塔后各支线水厂在重力流工况下可能通过的最大流量决定。
对于常规稳压塔设置方案，当输水系统在小流量或者不供水工况运行时，系统压力水头富余，富余的压力水头由各水厂前调流阀削减，因此正常运行时为了保证稳压塔不发生溢流，常规方案稳压塔的顶高程至少需要大于蓄水池水位。对于本发明的防护结构，当输水系统在小流量或者不供水工况运行时，部分富余的压力水头可以通过稳压塔前调流阀削减，从而可以让稳压塔内的水位保持在一个较低的水位。一般地，稳压塔前调流阀削减的压力越多，正常运行时稳压塔内水位越低，所需的稳压塔高度也越低。但由于塔后存在支线水厂，当稳压塔前的调流阀削减的压力过多时，稳压塔内的水位可能无法满足塔后水厂的供水需求，此时泵站就需要投入运行，这显然会增加输水系统的运行成本。因此本发明提供一种稳压塔前调流阀的控制方法，在尽可能减小稳压塔高度的同时，又不增加输水系统的运行费用。
稳压塔前调流阀理想的控制过程如图2所示，当输水系统流量为零时，通过流量计8的流量为零，此时调流阀4的开度为零，调流阀4前的压力(即压力传感器9的压力值)等于上游蓄水池1的水位，稳压塔3内水位保持在最大临界水位Htmax，该临界水位Htmax可以保证稳压塔后各支线水厂在重力流工况下可能通过的最大流量；随着输水系统流量的增加，调流阀4前的压力逐渐下降，调流阀4则根据阀门特性曲线及压力传感器与流量计的反馈值不断调节调流阀的开度，使得稳压塔3内水位一直保持在最大临界水位Htmax，直到输水系统流量达到临界流量Q0时，调流阀4前的压力恰好等于稳压塔3内的最大临界水位，此时调流阀4保持全开，加压泵站6刚好不需投入运行；如果输水系统需求流量再增加，即输水系统流量大于临界流量Q0时，此时输水系统仅依靠重力已经无法满足供水需求，加压泵站6需要投入运行，而调流阀4依旧保持全开，调流阀4前的压力仍然等于稳压塔3内的水位，但均小于最大临界水位Htmax。在输水系统过渡过程中，如果稳压塔3内的涌浪大于溢流槽5的高程时，稳压塔3内的水体则通过溢流槽5溢流至附近的河流或蓄水池内，因此通过稳压塔3前的调流阀4与各水厂前的调流阀联合作用，可保证输水系统安全。此外溢流槽5的存在限制了稳压塔后输水管道的最大压力极值。因此，本发明在降低稳压塔高度的同时也降低了稳压塔后输水管道的压力极值，从而降低稳压塔的施工难度和管道的承压等级。
本实施例的输水工程平面布置如图3所示，输水线路总长约234.1km，其中输水主管道长131.8km。输水系统设计总流量43.3m3/s，上游蓄水池最高运行水位70m，正常运行水位65m，最低运行水位52m。输水系统主管道的纵剖面如图4所示，输水系统其它的基本参数示于表1和表2。本输水工程沿途设有一座加压泵站，为了保护输出管道及泵站的安全，拟在上游蓄水池和泵站之间设置一座稳压塔，要求输水系统过渡过程中输水系统不出现负压，最大压力不超过1.2Mpa。输水系统在正常蓄水位设计流量下运行时，泵站需要同时投入运行，而在小流量运行时，泵站不需要投入运行即可满足供水需求。
表1输水系统支线基本参数
Figure GDA0003865595680000051
表2输水系统主线基本参数
Figure GDA0003865595680000052
本实施案例设计了两种水锤防护方案，方案A：输水系统设置普通稳压塔，方案B：输水系统采用本发明的防护结构。方案A稳压塔的参数由特征线法计算得到，方案B稳压塔的截面积和阻抗孔直径均与方案B保持一致，两种方案稳压塔的具体参数见表3。
表3稳压塔的基本参数
Figure GDA0003865595680000053
对于多支线输水工程，输水系统实际运行中可能存在多种运行工况。由于某一水厂前调流阀启闭时，临近水厂对该支线的压力波动具有反射作用，当稳压塔后各支线水厂流量最大，稳压塔前各支线水厂流量最小时，稳压塔的涌浪及输水管道的压力极值最大。因此，本实施案例水锤防护方案的校核工况取为：上游蓄水池在最高水位运行，稳压塔前各水厂均不供水，稳压塔后各水厂按设计流量供水，即S1至S6流量为0，S7至S11取设计时(此时稳压塔内水位处于最大临界值，恒定流工况下两种方案的测压管水头如图4所示)，输水系统遭遇水质污染或爆管等突发情况，要求整个输水系统紧急停止供水，输水系统此工况下的具体操作方案为：两种方案各水厂前调流阀采用1/900s的速率同时关闭，稳压塔前调流阀的采用1/1500s的速率关闭。此操作条件下两种方案管道沿线压力包络线如图5所示。
由图4知输水系统流量较小时，方案A调流阀可以削减输水系统多余压力水头，使稳压塔后输水管道的初始压力小于方案B。图5表明在输水系统过渡过程中，对于稳压塔之前的输水管道，方案A和方案B管道沿线最大压力包络线接近，其沿线最大值分别为113.47m和116.91m，均不超过最大压力限制值1.2Mpa，且最大值均出现在桩号46+426处。但对于桩号95+000之后的输水管道，方案B比方案A管道沿线最大压力值降低了约50m。方案A稳压塔高达84.7m，而方案B仅需37.8m，比方案A降低了46.9m。因此相比与常规稳压塔设置方案，本发明的水锤防护结构虽然增设了调流阀，但稳压塔的高度降低了约55％。此外，本发明的水锤防护结构使稳压塔后约104.6km输水管道(主线加支线)沿线压力的最大值降低约50％，相应的管道承压标准可降低0.5Mpa。
本发明当输水系统在大流量工况运行时，调流阀保持全开，依靠泵站加压来满足供水需求，在输水系统在小流量工况运行时，调流阀可根据压力传感器及流量计的反馈值自动控制阀门的开度，削减输水系统富余的压力水头，从而将稳压塔内的水位控制在某一临界值。本发明可减小长距离多支线输水系统稳压塔的高度，降低稳压塔后输水管道的承压等级，从而节省工程投资。

Claims (6)

1.一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，首先，构建一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护结构，包括上游蓄水池(1)和加压泵站(6)，所述的上游蓄水池(1)和加压泵站(6)之间依次设有调流阀(4)和稳压塔(3)，所述的调流阀(4)位于稳压塔(3)上游，所述的调流阀(4)上游布置有流量计(8)和压力传感器(9)，所述调流阀开度的具体控制条件如下：
Figure FDA0003865595670000011
其中：
Figure FDA0003865595670000012
式中，τ为调流阀的相对开度值，全开为1，全关为0；k为阀门的流阻系数；F(k)为调流阀的流阻系数与开度对应关系曲线；Hv为压力传感器反馈的压力值；Htmax为输水系统正常运行时稳压塔内的最大临界水位值；Q为调流量计的反馈的流量值；g为重力加速度；Ag为调流阀的截面积。
2.根据权利要求1所述的一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，所述稳压塔(3)的上部设有溢流槽(5)。
3.根据权利要求2所述的一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，所述溢流槽(5)的高程大于恒定流工况下稳压塔(3)内的最大运行水位。
4.根据权利要求1所述的一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，所述稳压塔内的最大临界水位值Htmax由稳压塔后各支线水厂在重力流工况下通过的最大流量决定。
5.根据权利要求1所述的一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，所述的调流阀根据压力传感器及流量计的反馈值自动调节阀的开度。
6.根据权利要求1或5所述的一种减小输水系统稳压塔高度的水锤防护方法，其特征在于，所述调流阀开度的具体控制方法为：
1)当输水系统流量为零时，通过流量计的流量为零，此时调流阀的开度为零，调流阀前的压力，即压力传感器9的压力值，等于上游蓄水池的水位，稳压塔内的水位保持在最大临界水位Htmax；
2)随着输水系统流量的增加，调流阀前的压力逐渐下降，调流阀不断调节开度，使得稳压塔内的水位一直保持在最大临界水位Htmax，直到输水系统流量达到临界流量Q0时，调流阀前的压力等于稳压塔内的最大临界水位，此时调流阀保持全开，加压泵站无需投入运行；
3)当输水系统需求流量增加，即输水系统流量大于临界流量Q0时，加压泵站投入运行，调流阀保持全开，调流阀前的压力等于稳压塔内的水位，但均小于最大临界水位Htmax。
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