引洮供水工程输水系统隔断阀关闭过渡过程分析

李廷彦

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

引洮供水工程输水系统隔断阀关闭过渡过程分析

李廷彦

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

天水市城区引洮供水工程全线均为重力流单管供水，且沿线地形复杂，管线起伏较大。供水距离、输水工况的转换、管线阀门的启闭等都会导致输水系统产生水力瞬变现象，轻则导致管路出现非正常供水，重则导致爆管，破坏整个输水系统的运行。为了保证整个输水系统的安全稳定运行，须对隔断阀进行检修工况,以及可能发生的爆管危害及相应的爆管事故调查分析，为输水系统结构布置提供科学依据。

引洮供水；长距离单管输水；隔断阀；过渡过程

1 工程概况

天水市城区引洮供水工程为长距离引水工程，输水设计流量2.1 m3/s，水源取水口为引洮供水工程四干渠末端，以暗渠隧洞再接输水管道，途经洛门镇、磐安镇，马务村至2#隧洞进口； 2#隧洞进口无压自流到关子镇石川村上游2#隧洞出口，此后管线沿藉河入杨家湾调蓄水池输水进行调蓄。本工程主要建设内容有渠道工程(暗渠、隧洞、倒虹吸)、输水管道工程和调蓄水池工程三部分。其中暗渠总长5.05 km，倒虹吸2.93 km，隧洞总长15.35 km，管道总长68.93 km，渠线总长92.4 km。本次主要分析2#隧洞出口直接通过分水口进水厂隔断阀关闭过渡过程，供水方式布置简图如图1所示。

图1 2#隧洞出口后供水方式简要布置图

2 输水系统隔断阀关闭过渡过程分析

2.1 水锤计算相关方程

描述任意管道中水流运动状态的方程为[1-2]：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；A为管道的横截面积，m2；H为测压管的水头，m；x为沿管轴线距离，m；t为时间，s；a为水锤波速，m/s；g为重力加速度，m/s2；β为管道轴线与水平线的夹角，°;f为摩擦阻力系数；D为管道直径，m。

2.2 检修工况

当输水管道需要对某段管道进行检修时，应该把此段管道用检修双向硬密封偏心半球阀或检修硬密封球阀隔断，减少水量浪费，并保证其他部分管道依然充满水，利于检修后快速投入运行[3-4]。管线布置及隔断阀布置如图1所示。由图中可以看出，若需要检修某段管道，则首先应该关闭1#进水阀、2#调流阀,以及3#调流阀，随后可将待检修管段前后隔断阀在静水中以120 s一段直线关阀规律关闭。

2.3 爆管工况

2#隧洞出口后将管道分成两部分：第一段管道为管道进水口至消能箱进水口，全长5.52 km；第二段管道为消能箱出口至管道末端，全长14.533 km，流量取2.1 m3/s。2#调流阀、3#调流阀关闭规律是按照正常工况设定，爆管事故发生后，由于爆管因素的不确定性，为避免因为快关导致二次爆管，这两处的阀门动作规律应保持不变，虽然相应增加了爆管的水量损失与爆管事故持续时间，但减缓了自身管道的危害。

对于第一段管道(消能箱前部分)，爆管事故发生后，爆管点处压力降为大气压，爆管点处的流量与水锤降压波的大小取决于其正常工作压力，正常工作压力越大，危害越大。由图2可以看出，最危险爆管点应在第一段管道末端(消能箱进口处)。对于第二段管道(消能箱后部分)，爆管事故发生后，爆管点处压力降为大气压，爆管点处的流量与水锤降压波的大小取决于其正常工作压力，正常工作压力越大，危害越大。由图3可以看出，最危险爆管点应在桩号174+012.7处，该处管中心线高程1322.95 m。

图2 第一段管道最危险爆管点示意图

第一段管道(消能箱前部分)在最危险点发生爆管时，理论上是爆管点上游流量迅速加大、爆管点下游流量迅速减小，但由于消能箱的存在且该点高程较高，爆管点下游不会发生倒流，最后将导致消能箱内漏空[5]。此时需要关闭管道进口阀门1#进水阀和爆管点后2#调流阀以切断水流，同时为防止消能箱漏空严重导致第二段管道的大量进气，还应同时关闭第二段管道末端3#调流阀。待1#进水阀和2#调流阀关闭后，爆管段水流已被切断，2#调流阀处检修双向硬密封偏心半球阀可在静水中以120 s关闭规律关闭。1#进水阀应在爆管事故发生时以120 s一段直线关闭规律进行关闭，同时2#、3#调流阀应按正常关阀时阀门关闭规律进行慢关，以防止第一段管道发生二次爆管事故或第二段管道也发生爆管事故。

当第一段管道(消能箱前部分)发生爆管时，爆管点涌出流量变化如图4所示，爆管点压力变化如图5所示；发生爆管后阀门即开始动作，1#进水阀门开度变化如图6所示。从相关计算可以得出：当第一段管道(消能箱前部分)发生爆管时，短时间内爆管点处最大流量达到7.07 m3/s；事故关阀过程中，第二段管道最大压力没有超过管道承压标准。

第二段管道(消能箱后部分)在最危险点发生爆管时，理论上是爆管点上游流量迅速加大、爆管点下游流量迅速减小并发生倒流。此时需要关闭爆管点前最近的隔断阀和爆管点后管道末端3#调流阀以切断水流，同时为防止消能箱溢出，还应同时关闭消能箱进口2#调流阀。降压波的传递将导致第二段管道部分空气阀大量进气，最小压力将维持在大气压附近。因爆管点前流量迅速加大，爆管点前隔断阀关闭时不应关闭过快，否则将产生正水锤发生二次爆管事故[6-7]。经计算隔断阀拟采用420 s一段直线关闭规律在爆管事故发生时关闭，同时2#、3#调流阀应按正常关阀时阀门关闭规律进行慢关。当第二段管道(消能箱后部分)发生爆管时，爆管点涌出流量变化如图7所示，爆管点压力变化如图8所示；发生爆管后相关阀门即开始动作，爆管点前隔断阀开度变化如图9所示，流量变化如图10所示，压力变化如图11所示。

图3 第二段管道最危险爆管点示意图

图4 爆管点流量变化图

图5 爆管点压力变化图

图6 进水阀开度变化图

图7 爆管点流量变化图

图8 爆管点压力变化图

图9 隔断阀开度变化图

图10 隔断阀流量变化图

图11 隔断阀压力变化图

从相关计算图中可以看出：当第二段管道(消能箱后部分)发生爆管时，短时间内爆管点处最大流量达到5.86 m3/s；事故关阀过程中，第二段管道隔断阀前部分最大压力没有超过管道承压标准。

3 结 论

若需要检修管道，则首先应该关闭1#进水阀、消能箱进口2#调流阀以及管道末端3#调流阀，随后可将待检修管段前后隔断阀在静水中以120 s一段直线关阀规律关闭。相关计算结果表明，合理的调度能够防止事故扩大，避免次生灾害发生，建议在爆管事故发生时，消能箱进口2#调流阀及管道末端3#调流阀仍按照正常检修时拟定的慢关规律进行。若爆管事故发生在消能箱前，则应在爆管事故发生时，同时关闭1#进水阀门(120 s一段直线关闭规律)、2#调流阀及3#调流阀；若爆管点发生在消能箱后，则应在爆管事故发生时，同时关闭爆管点前最近的隔断阀(420 s一段直线规律)、消能箱进口2#调流阀以及管道末端3#调流阀。

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Analysis on shutdown transition process of water diversion system block valve in Taohe River water supply project

LI Tingyan

(GansuInstituteofWaterResourcesandHydropowerSurveyandDesign,Lanzhou730000,China)

The Taohe River water supply project at the urban section of Tianshui City is all gravity flow water supply by single pipeline, and the terrain along the pipeline is complex, the pipeline fluctuation is large. The change of water supply distance, switch of water diversion condition and the opening and closing of pipeline valve will cause the water diversion system to produce a phenomenon of hydraulic transient, ranging from water supply pipeline appearing abnormal, heavy damage is pipe burst, destroying the whole water supply system operation. In order to ensure the safe and stable operation of the whole water supply system, the conditions of the shutdown valve must be overhauled, and the pipe explosion hazard and the corresponding accident that might occur must be investigated and analyzed to provide scientific basis for the water diversion system structure arrangement.

Taohe River water supply project; long distance water diversion by single pipeline; shut down valve; transition process

李廷彦(1982-)，男，甘肃古浪人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。E-mail：bao_hello@163.com。

TV213

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2096-0506(2017)06-0040-05