長距離密閉輸配水系統非恒定流分析與計算

宋學東

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

長距離密閉輸配水系統非恒定流分析與計算

宋學東

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

遼寧省大伙房水庫輸水二期工程屬于長距離、多目標、大流量的壓力密閉系統。由于地形和受水區域限制，中間無任何調蓄設施，鞍山加壓泵站采取了串聯加壓方式。整個系統布置突破常規，結構和組成十分復雜，干支線水力聯系密切，任一控制點的水力動作均會引起全系統水力參數的變化，為國內外罕見。通過對復雜邊界條件下的全系統水力暫態過程分析計算，指導調流、調壓設備和設施的有效配置，制定調度運行規程，保證工程安全平穩運行，可為長距離輸水工程的設計及運行提供借鑒。

長距離輸水；水力控制；系統配置；安全調度

1 工程概況及系統概述

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程的主要任務是將渾江調來的水經水庫調節后有效配置給遼寧中部地區的撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連7個缺水城市，并為改善渾河、太子河流域生態環境和農業供水創造條件，是遼寧省經濟社會可持續發展、老工業基地產業結構調整和改造、沿海經濟帶開發的重要區域性水資源配置工程，涉水人口上千萬。輸配水系統的組成和結構極為復雜（如圖1所示），在輸水距離長達400km、供水目標多達10個、輸水總量高達594萬t/d的條件下，全線采用了壓力密閉輸配水方式，中間無任何調蓄設施，系統布置突破常規。由于長距離大流量壓力密閉的特點，干支線水力聯系密切，相互作用、相互影響，組合工況多，對系統的調流調壓安全技術要求極高。各水力控制設備開關、水泵啟停、水量分配、事故檢修等，都會引起整個輸水系統中水力參數發生劇烈變化，輕則導致相鄰管路出現非正常供水，重則導致爆管事故，破壞整個輸水系統的正常運行。因此必須進行全系統水力暫態過程分析計算，以指導調流、調壓設備和設施的有效配置，制定調度規則，保證系統安全平穩運行。

圖1 輸水系統組成示意圖

2 控制方程及邊界條件

2.1 控制方程

描述任意管道中的水流運動狀態的基本方程為［1］

：式中：H—測壓管水頭，m；Q—流量，m3/s；D—管道直徑，m；t—時間變量，s；A—管道面積，m2；a—水錘波速，隧洞和PCCP管道取1000m/s，玻璃鋼管道取600m/s；g—重力加速度，m/s2；x—沿管軸線的距離，m；f—摩阻系數；β—管軸線與水平面的夾角，°。

式（1）、（2）可簡化為標準的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉化成同解的管道水錘計算特征相容方程。對于長度L的管道A—B，其兩端點A、B邊界在t時刻的瞬態水頭HA（t）、HB（t）和瞬態流量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—計算時間步長；ΔL—特征線網格管段長度，ΔL=aΔt（庫朗條件）；k—特征線網格管段數，k=L/ΔL；R—水頭損失系數，R=Δh/Q2；其它符號意義同前。

水力暫態過程計算一般從初始穩定狀態開始，即此時t=0.0，當（t-kΔt）＜0時，則令（tkΔt）=0，即取為初始值。式（3）、（4）均只有2個未知數，將其分別與A、B節點的邊界條件聯列計算，即可求得A、B節點的水力參數。

2.2 定解條件

對圖1的輸配水系統而言，其物理模型計算所需的定解條件可分為以下9種。

（1）大伙房水庫取水頭部（示意圖見圖2）。在管道的上游端，即取水頭部，特征線方程只提供方程。因此i表示管號，1表示i管的起始斷面號。對于上游端為水庫的情況，一般來說，水庫水位=H0=const已知，則有：

（2）主管道分叉（示意圖見圖3）。由29.1km的6m直徑壓力輸水隧洞分成2根DN3200PCCP管道，2分叉管道的直徑、長度相一致，且管道中的流速、流量、水頭相等，因此根據分叉結點處流量守恒、水頭相等的原則，有：

圖2

圖3

（3）主管道合并（示意圖見圖4）。2直徑、長度相等的輸水管道，合并成為1根輸水管道（如2根DN2400PCCP管道合并為1根DN4000鋼管等）。根據合并結點處流量守恒、水頭相等的原則，有：

圖4

（4）2#、4#、5#雙向穩壓塔（示意圖見圖5）。2#、4#、5#穩壓塔為單一雙向穩壓塔，可以充分的反射水擊波。記穩壓塔水頭、流量及面積分別為：Hw、Qw、Aw。則穩壓塔中的水體連續性為：

圖5

同樣根據穩壓塔與主輸水管道交點處水體的連續性以及能量守恒，聯立求解C+、C-特征線方程，可得：

圖6

（5）單一凈水廠（示意圖見圖6）。沈陽2配水站、遼陽配水站對應的凈水廠作為流量輸出邊界，記凈水廠流量為有：（6）凈水廠+雙向穩壓塔（示意圖見圖7）。撫順配水站、沈陽1配水站、鞍山加壓站同時具有凈水廠和穩壓塔分支的輸水管道內結點，內部邊界條件應滿足下式：

圖7

（7）凈水廠+加壓泵站（示意圖見圖8）。鞍山加壓站采用串聯加壓方式，一部分流量由凈水廠流出，作為流量出流邊界。另一部分流量供給加壓泵站，并經泵站加壓后供給下游凈水廠使用。則流量守恒方程（總流量等于過泵流量與凈水廠流量的和）：

圖8

對于某特定型號水泵，都有其唯一的水泵特性曲線，可以反映水泵過水流量Qs與水泵揚程Hs之間的相關關系。

式中，Hs0為水泵斷流水頭，m。通過聯立求解流量平衡方程、水泵水頭平衡方程、水泵慣性平衡方程即可得到節點的水頭、流量。

（8）主管道末端單一凈水廠（示意圖見圖9）。對于輸水管道的末端營口凈水廠、盤錦凈水廠、大連2級泵站前池，類似于輸水管道入口端，特征線方程只能提供一個方程，即C+方程。因此必須尋求一個外部邊界條件，與特征方程聯立才能求解2個未知數對于輸水管道末端為出流水池的邊界，其水頭也是一定值，為出流水的位置水頭，即：因此有：

（9）7#、8#、9#單向穩壓塔（示意圖見圖10）。為防止加壓站突然斷電停泵產生負壓，營盤配水站設置了7#、8#單向穩壓塔，大連分支設置了9#單向穩壓塔，起補水平壓作用。H為單向塔水面高程（m），D為單向塔的直徑（m），d為出水口孔口直徑（m），H2為管道的壓力線高程（m），Q1和Q2分別為上游管道和下游管道的流量，m3/s。當H2＜H時，單向穩壓井的孔口流量Q可以由式（27）表示，此時，Q2=Q1+Q。如果H2≧H，則Q=0。

圖9

當Q＞0時，單向穩壓井的水面高程隨著水量的流出而下降，H2=H-Q×△t/A0，A0為單向塔的底面積，m2。

3 計算實例

當鞍山加壓站發生抽水斷電工況時，計算成果見表1，營口支線和盤錦支線均出現了負壓，經綜合比較，設置壓力標高為25m的單向穩壓塔可有效解決負壓問題。

4 結論與建議

大伙房水庫輸水（2期）工程輸配水系統屬于大流量、超長距離輸水工程，輸配水量占受水各市用水量的50%～60%，已成為受水各市的水源控制性工程，水力控制設備和設施眾多，對系統調度的安全性、可靠性、經濟性和運行管理提出了更高要求。在實際運行過程中，工況極為復雜，尤其是在各種運行工況之間進行切換時，將導致整個輸水系統發生水力暫態過程現象，該水力暫態過程不僅持續時間長而且將引起管線壓力及供水流量發生較大幅度的變化，嚴重威脅了整個輸水系統的供水安全，對其進行深入研究，并采用合理措施進行事故防范，制定各工況下的調度策略，是本工程安全運行的前提與保障。

表1 不同單向塔水位下最小壓力（2月4日）

［1］金錐，姜乃昌，汪興華，等.停泵水錘及其防護［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［2］陳乃祥.水利水電工程的水力瞬變仿真與控制［M］.第1版.北京：中國水利水電出版社，2004.

［3］E.B.懷利，V.L.斯特里特著.清華大學流體傳動與控制教研組譯.瞬變流［M］.第2版.北京：水利電力出版社，1987.

［4］李江，徐燕，李和龍.高揚程泵站工程水錘防護計算研究［J］.水利規劃與設計，2014（11）.

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［6］陳永彰，張建.輸水入連工程網絡系統設計［J］.水利規劃與設計，2014（05）.

TV134+1

A

1672-2469（2015）12-0022-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.010

宋學東（1966年—），男，高級工程師。