长距离密闭输配水系统非恒定流分析与计算

宋学东

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

长距离密闭输配水系统非恒定流分析与计算

宋学东

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

辽宁省大伙房水库输水二期工程属于长距离、多目标、大流量的压力密闭系统。由于地形和受水区域限制，中间无任何调蓄设施，鞍山加压泵站采取了串联加压方式。整个系统布置突破常规，结构和组成十分复杂，干支线水力联系密切，任一控制点的水力动作均会引起全系统水力参数的变化，为国内外罕见。通过对复杂边界条件下的全系统水力暂态过程分析计算，指导调流、调压设备和设施的有效配置，制定调度运行规程，保证工程安全平稳运行，可为长距离输水工程的设计及运行提供借鉴。

长距离输水；水力控制；系统配置；安全调度

1 工程概况及系统概述

辽宁省大伙房水库输水（二期）工程的主要任务是将浑江调来的水经水库调节后有效配置给辽宁中部地区的抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连7个缺水城市，并为改善浑河、太子河流域生态环境和农业供水创造条件，是辽宁省经济社会可持续发展、老工业基地产业结构调整和改造、沿海经济带开发的重要区域性水资源配置工程，涉水人口上千万。输配水系统的组成和结构极为复杂（如图1所示），在输水距离长达400km、供水目标多达10个、输水总量高达594万t/d的条件下，全线采用了压力密闭输配水方式，中间无任何调蓄设施，系统布置突破常规。由于长距离大流量压力密闭的特点，干支线水力联系密切，相互作用、相互影响，组合工况多，对系统的调流调压安全技术要求极高。各水力控制设备开关、水泵启停、水量分配、事故检修等，都会引起整个输水系统中水力参数发生剧烈变化，轻则导致相邻管路出现非正常供水，重则导致爆管事故，破坏整个输水系统的正常运行。因此必须进行全系统水力暂态过程分析计算，以指导调流、调压设备和设施的有效配置，制定调度规则，保证系统安全平稳运行。

图1 输水系统组成示意图

2 控制方程及边界条件

2.1 控制方程

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程为［1］

：式中：H—测压管水头，m；Q—流量，m3/s；D—管道直径，m；t—时间变量，s；A—管道面积，m2；a—水锤波速，隧洞和PCCP管道取1000m/s，玻璃钢管道取600m/s；g—重力加速度，m/s2；x—沿管轴线的距离，m；f—摩阻系数；β—管轴线与水平面的夹角，°。

式（1）、（2）可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程。对于长度L的管道A—B，其两端点A、B边界在t时刻的瞬态水头HA（t）、HB（t）和瞬态流量QA（t）、QB（t）可建立如下特征相容方程［2］：

式中：CM=HB（t-kΔt）-（a/gA）QB（t-kΔt）；式中：Δt—计算时间步长；ΔL—特征线网格管段长度，ΔL=aΔt（库朗条件）；k—特征线网格管段数，k=L/ΔL；R—水头损失系数，R=Δh/Q2；其它符号意义同前。

水力暂态过程计算一般从初始稳定状态开始，即此时t=0.0，当（t-kΔt）＜0时，则令（tkΔt）=0，即取为初始值。式（3）、（4）均只有2个未知数，将其分别与A、B节点的边界条件联列计算，即可求得A、B节点的水力参数。

2.2 定解条件

对图1的输配水系统而言，其物理模型计算所需的定解条件可分为以下9种。

（1）大伙房水库取水头部（示意图见图2）。在管道的上游端，即取水头部，特征线方程只提供方程。因此i表示管号，1表示i管的起始断面号。对于上游端为水库的情况，一般来说，水库水位=H0=const已知，则有：

（2）主管道分叉（示意图见图3）。由29.1km的6m直径压力输水隧洞分成2根DN3200PCCP管道，2分叉管道的直径、长度相一致，且管道中的流速、流量、水头相等，因此根据分叉结点处流量守恒、水头相等的原则，有：

图2

图3

（3）主管道合并（示意图见图4）。2直径、长度相等的输水管道，合并成为1根输水管道（如2根DN2400PCCP管道合并为1根DN4000钢管等）。根据合并结点处流量守恒、水头相等的原则，有：

图4

（4）2#、4#、5#双向稳压塔（示意图见图5）。2#、4#、5#稳压塔为单一双向稳压塔，可以充分的反射水击波。记稳压塔水头、流量及面积分别为：Hw、Qw、Aw。则稳压塔中的水体连续性为：

图5

同样根据稳压塔与主输水管道交点处水体的连续性以及能量守恒，联立求解C+、C-特征线方程，可得：

图6

（5）单一净水厂（示意图见图6）。沈阳2配水站、辽阳配水站对应的净水厂作为流量输出边界，记净水厂流量为有：（6）净水厂+双向稳压塔（示意图见图7）。抚顺配水站、沈阳1配水站、鞍山加压站同时具有净水厂和稳压塔分支的输水管道内结点，内部边界条件应满足下式：

图7

（7）净水厂+加压泵站（示意图见图8）。鞍山加压站采用串联加压方式，一部分流量由净水厂流出，作为流量出流边界。另一部分流量供给加压泵站，并经泵站加压后供给下游净水厂使用。则流量守恒方程（总流量等于过泵流量与净水厂流量的和）：

图8

对于某特定型号水泵，都有其唯一的水泵特性曲线，可以反映水泵过水流量Qs与水泵扬程Hs之间的相关关系。

式中，Hs0为水泵断流水头，m。通过联立求解流量平衡方程、水泵水头平衡方程、水泵惯性平衡方程即可得到节点的水头、流量。

（8）主管道末端单一净水厂（示意图见图9）。对于输水管道的末端营口净水厂、盘锦净水厂、大连2级泵站前池，类似于输水管道入口端，特征线方程只能提供一个方程，即C+方程。因此必须寻求一个外部边界条件，与特征方程联立才能求解2个未知数对于输水管道末端为出流水池的边界，其水头也是一定值，为出流水的位置水头，即：因此有：

（9）7#、8#、9#单向稳压塔（示意图见图10）。为防止加压站突然断电停泵产生负压，营盘配水站设置了7#、8#单向稳压塔，大连分支设置了9#单向稳压塔，起补水平压作用。H为单向塔水面高程（m），D为单向塔的直径（m），d为出水口孔口直径（m），H2为管道的压力线高程（m），Q1和Q2分别为上游管道和下游管道的流量，m3/s。当H2＜H时，单向稳压井的孔口流量Q可以由式（27）表示，此时，Q2=Q1+Q。如果H2≧H，则Q=0。

图9

当Q＞0时，单向稳压井的水面高程随着水量的流出而下降，H2=H-Q×△t/A0，A0为单向塔的底面积，m2。

3 计算实例

当鞍山加压站发生抽水断电工况时，计算成果见表1，营口支线和盘锦支线均出现了负压，经综合比较，设置压力标高为25m的单向稳压塔可有效解决负压问题。

4 结论与建议

大伙房水库输水（2期）工程输配水系统属于大流量、超长距离输水工程，输配水量占受水各市用水量的50%～60%，已成为受水各市的水源控制性工程，水力控制设备和设施众多，对系统调度的安全性、可靠性、经济性和运行管理提出了更高要求。在实际运行过程中，工况极为复杂，尤其是在各种运行工况之间进行切换时，将导致整个输水系统发生水力暂态过程现象，该水力暂态过程不仅持续时间长而且将引起管线压力及供水流量发生较大幅度的变化，严重威胁了整个输水系统的供水安全，对其进行深入研究，并采用合理措施进行事故防范，制定各工况下的调度策略，是本工程安全运行的前提与保障。

表1 不同单向塔水位下最小压力（2月4日）

［1］金锥，姜乃昌，汪兴华，等.停泵水锤及其防护［M］.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［2］陈乃祥.水利水电工程的水力瞬变仿真与控制［M］.第1版.北京：中国水利水电出版社，2004.

［3］E.B.怀利，V.L.斯特里特著.清华大学流体传动与控制教研组译.瞬变流［M］.第2版.北京：水利电力出版社，1987.

［4］李江，徐燕，李和龙.高扬程泵站工程水锤防护计算研究［J］.水利规划与设计，2014（11）.

［5］张生财.长距离有压重力流在供水工程中的设计与应用［J］.水利规划与设计，2014（10）.

［6］陈永彰，张建.输水入连工程网络系统设计［J］.水利规划与设计，2014（05）.

TV134+1

A

1672-2469（2015）12-0022-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.010

宋学东（1966年—），男，高级工程师。