深圳市長(zhǎng)距離引水工程水力過(guò)渡計(jì)算

深圳是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的城市。長(zhǎng)期以來(lái)，深圳供水水源中只有約30%的地方水資源占總供水量的30%。因此,深圳市的供水水源主要依賴于東江水源。深圳市本地水源的可用量、深圳市水量及東江水源年內(nèi)和年際分布不均,尤其是東江水源用戶眾多,開(kāi)發(fā)利用率高,因此,深圳市從東江取水量受東江流域年內(nèi)和年際的豐枯變化影響較大。加之深圳市本地已有調(diào)蓄水庫(kù)調(diào)蓄庫(kù)容不足,難以滿足城市正常供水的要求,迫切需要增加本地調(diào)蓄庫(kù)容,并利用這些調(diào)蓄庫(kù)容在豐水期多蓄水,以增加枯水年份或枯水期的供水量,達(dá)到提高城市供水保證率的要求。清林徑引水調(diào)蓄工程為上述措施的其中一項(xiàng)工程。調(diào)蓄工程利用現(xiàn)有東江水源工程和東深供水工程的分配水量及洪水期的富余能力,在豐水期間引水蓄于清林徑水庫(kù),當(dāng)深圳市遭遇特殊枯水年份或突發(fā)應(yīng)急預(yù)案時(shí),可由清林徑水庫(kù)向全市各個(gè)地方供水。1龍清利三礦清林徑引水調(diào)蓄工程共有2個(gè)輸(供)水線路:一是通過(guò)龍口二期泵站提水至龍口水庫(kù),由龍口水庫(kù)自流至龍清泵站,再由龍清泵站提升至清林徑水庫(kù);另一途徑是由坪地取水口經(jīng)東江供水水源工程自流至東清泵站,再由東清泵站提升至清林徑水庫(kù)。其中龍清線路輸水規(guī)模為60萬(wàn)t/d,線路全長(zhǎng)12.8km。除龍口水庫(kù)有1.43km的隧洞外,其余均為管道,管徑為2200mm,在樁號(hào)11+578處設(shè)分水口供水至貓仔嶺水廠,管徑1600mm。龍清泵站直接從管中取水,從輸水線路末站設(shè)“Г”形岔管接各水泵進(jìn)水管。東清線路與龍清線路類似,但工況較龍清線路簡(jiǎn)單,因此只論述龍清輸水線路的水力過(guò)渡過(guò)程分析情況。2錘保護(hù)措施(1)管道縱向高程變化龍清輸水線路共有2個(gè)功能:一是輸水功能;二是為供水功能。取水口與清林徑水庫(kù)之間存在較大的距離和高程差,沿程地形不適宜建設(shè)高位水池。以提升泵站為基準(zhǔn),泵站前面布置長(zhǎng)約11.37km的管道,管道經(jīng)過(guò)的路段地形高低起伏,市政設(shè)施眾多,管道布置相當(dāng)困難,造成管線縱向高程變化不甚規(guī)則。泵站后面布置有長(zhǎng)約1.43km的隧洞,隧洞出口為清林徑水庫(kù)。泵站出口高程與水庫(kù)水位最大高差約21m,考慮充分利用水庫(kù)水頭,節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,泵站直接從管道中取水,不設(shè)開(kāi)敞式前池,泵站出口連接隧洞,壓力輸水。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,存在水泵開(kāi)啟和系統(tǒng)突然掉電情況,進(jìn)而引起管道局部壓力升高和產(chǎn)生負(fù)壓的可能,這些過(guò)高的正壓和負(fù)壓都有可能破壞供水設(shè)施而引發(fā)事故。各輸(供)水節(jié)點(diǎn)高程及流向關(guān)系如圖1所示。(2)水錘防護(hù)措施針對(duì)龍清輸水線路長(zhǎng),工程具有雙向輸水,工況多,地形條件復(fù)雜,管道布置起伏變化大,泵站節(jié)點(diǎn)運(yùn)行工況條件多等特點(diǎn),在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了幾種水錘防護(hù)措施。主要包括泵站前管道高點(diǎn)沿途設(shè)置了18個(gè)空氣閥、隧洞中間設(shè)置1個(gè)調(diào)壓井、泵站出水管處設(shè)4個(gè)緩閉止回閥、泵站進(jìn)出管道設(shè)旁通管等設(shè)施,同時(shí)還考慮在電氣設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)制要求水泵啟動(dòng)為順序開(kāi)啟模式,以控制管道最大正壓和負(fù)壓,及水泵事故失電時(shí),水流倒轉(zhuǎn)引起的泵機(jī)反轉(zhuǎn)和水栓分離現(xiàn)象。3基于數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)壓力仿真分析為了確保工程運(yùn)行安全,進(jìn)行了水錘防護(hù)措施的布置后,按照工程的輸水調(diào)度運(yùn)行原則和方案,結(jié)合龍清輸水工程的建筑物及各項(xiàng)設(shè)施布置,設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種方法對(duì)龍清輸水管線的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。復(fù)核計(jì)算的幾個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容包括:(1)對(duì)管道沿程空氣閥的布置位置、排氣量、數(shù)量等進(jìn)行復(fù)核,根據(jù)復(fù)核結(jié)果進(jìn)行空氣閥的優(yōu)化布置。(2)驗(yàn)證線路設(shè)置調(diào)壓井和不設(shè)置調(diào)壓井情況下管線水錘壓力變化,進(jìn)而提出設(shè)置調(diào)壓井的優(yōu)化方案。(3)通過(guò)對(duì)泵組同時(shí)啟動(dòng)和順序啟動(dòng)的復(fù)核,驗(yàn)算水泵啟動(dòng)工況的啟動(dòng)參數(shù)以及吸水管負(fù)壓情況,同時(shí)提出優(yōu)化進(jìn)水管控壓措施和調(diào)度方案。(4)驗(yàn)證泵組事故停機(jī)工況下,原泵站出水管緩閉止回閥閉的初始設(shè)置的合理性。(5)對(duì)正向供水期間貓仔嶺水廠分水口的調(diào)度和操作規(guī)律進(jìn)行復(fù)核,確定這些調(diào)度和操作規(guī)律對(duì)管線壓力的變化影響及其應(yīng)對(duì)措施。(6)泵站進(jìn)出水管道之間的旁通管計(jì)算時(shí)僅作為安全儲(chǔ)備考慮,不在計(jì)算模型中體現(xiàn)。(7)通過(guò)對(duì)不同工況的系統(tǒng)壓力分析,在進(jìn)行了水錘防護(hù)措施的方案優(yōu)化以后,同時(shí)復(fù)核管道管件及管身的壓力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、管材等級(jí),閥件、計(jì)量設(shè)施的承壓標(biāo)準(zhǔn)等控制性指標(biāo)。按照上述內(nèi)容要求,復(fù)核計(jì)算時(shí)分泵組啟動(dòng)為同時(shí)啟動(dòng)和間隔10s(通過(guò)試算確定初始設(shè)置的合理性)時(shí)間相繼啟動(dòng)2種情況,同時(shí)考慮貓仔嶺水廠分支線正常供水和停電20s(通過(guò)試算確定初始設(shè)置的合理性)關(guān)閥情況下泵組同時(shí)停電閥門拒動(dòng)和同時(shí)停電閥門關(guān)閉分別擬定多種計(jì)算工況,按照設(shè)置調(diào)壓井和不設(shè)置調(diào)壓井,設(shè)計(jì)空氣閥和不設(shè)置空氣閥的情況進(jìn)行多組計(jì)算,各工況見(jiàn)表如1。按上述邊界條件建立涉及管道瞬變流、閥門邊界、管道連接、定水位邊界、系統(tǒng)初值計(jì)算等多種數(shù)學(xué)模型的組合模型,結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可知,系統(tǒng)壓力最大出現(xiàn)工況為分水管20s關(guān)閥截?cái)嗔髁?3臺(tái)掉電,閥門關(guān)閉的情況,最大壓力為82.571m,該壓力小于管道設(shè)計(jì)壓力,最大負(fù)壓出現(xiàn)工況為分水管20萬(wàn)t/d常開(kāi),3臺(tái)突然掉電,閥門拒動(dòng),負(fù)壓為-1.085m,該負(fù)壓不會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生影響。結(jié)果表明設(shè)計(jì)布置的空氣閥位置、數(shù)量、排氣量基本合理,泵組緩閉止回閥采用5s半閉80%,40s關(guān)閉100%,水泵最大倒轉(zhuǎn)速200.4r/min。若3臺(tái)機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)會(huì)引起管道出現(xiàn)局部負(fù)壓,而3臺(tái)機(jī)組順序10s啟動(dòng)可避免管道負(fù)壓形成。另外,在布置了空氣閥的情況下,線路布置調(diào)壓井和不布置調(diào)壓井對(duì)管道壓力影響不大,不設(shè)置調(diào)壓井只增加了不到2m水頭,因此可以取消調(diào)壓井,而分水口不論閥門工作狀況如何,對(duì)管道壓力影響不大。4閥口及水泵管道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)對(duì)于長(zhǎng)距離的有壓輸水線路,清林徑引水調(diào)蓄工程龍清輸水線路在壓力輸水管道的水錘現(xiàn)象中有較好的代表性,通過(guò)對(duì)清林徑引水調(diào)蓄工程龍清輸水線路調(diào)節(jié)過(guò)程計(jì)算的分析,在設(shè)計(jì)管道及泵組水錘防護(hù)措施時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)重要因素。(1)為了保護(hù)管道運(yùn)行過(guò)程中水柱分離產(chǎn)生負(fù)壓和正壓過(guò)大,應(yīng)在管道起伏位置設(shè)置有足夠排氣量的空氣閥,閥門選取時(shí)應(yīng)注重閥門的品質(zhì)質(zhì)量,防止閥門質(zhì)量差帶來(lái)嚴(yán)重后果,同時(shí)運(yùn)行管理過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查維護(hù)保證空氣閥的正常工作。(2)為防止泵機(jī)突然停電引起水泵反轉(zhuǎn)過(guò)快,同時(shí)引起管線壓力驟增或引起出水管道水柱斷裂產(chǎn)生負(fù)壓,繼而破壞水泵和管道,引起工程事故,應(yīng)在泵組出口設(shè)置緩閉止回閥,同時(shí)對(duì)于這些水錘現(xiàn)象會(huì)造成嚴(yán)重后果的工程應(yīng)設(shè)計(jì)雙電源系統(tǒng),避免系統(tǒng)掉電現(xiàn)象。(3)制定合理的調(diào)度操作規(guī)程,進(jìn)行調(diào)度操作方案的保障措施設(shè)計(jì),對(duì)于多臺(tái)水泵的泵站應(yīng)盡量采用水泵順序啟動(dòng)的電氣控制設(shè)計(jì),管線沿程分水口的供水閥門的控制設(shè)計(jì)方案也應(yīng)該作為邊界條件加入水錘計(jì)算的分析模型中一并考慮。(4)輸水工程應(yīng)盡量利用取水口附近地形有力條件,在泵站出口設(shè)置高