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【摘 要】针对长距离输水管线,线路长、压力高、流速低的特点,进行了管道过流能力、水头损失、管道压力线和水锤影响分析。
【关键词】输水管道;线路长;压力高;流速低;水力学
Long-distance water supply project in Xinjiang pipeline hydraulics calculation
Wang Zhe, Zhang Kang
(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute Urumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】In view of long-distance water pipelines, long lines, high pressure, low flow rate, a pipe flow capacity, head loss, pipe lines and water hammer pressure of iMPact analysis.
【Key words】Aqueduct; Lines long; High pressure; Low flow rate; Hydraulics
1. 工程概况
该供水工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌县境内,水源地位于米兰河以西,利用一字形分布在水源地内的取水井,通过水源地管道送到高位首部水池,然后经主管道途径戈壁滩、盐湖到达尾部蓄水池,其中供水主管道全长239.704Km,引水流量0.58m3/s,即50112m3/日。其中DN1000位于桩号0+000～138+858长度为138.858Km采用玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管,DN900位于桩号138+858～239+704,长度为100.846Km采用螺旋焊缝钢管。
输水管道工程所在起点地面高程为948.000m,终点地面高程为788.049m,总的地形高度差为160.251m,沿线地形总体上自首端坡向末端,通过管道的沿程、局部水头损失和管线压力线计算,输水管道具备有压重力输水的条件,全管道采用重力输水方式。
输水管道的设计压力为管道静水压力加水击压力。其中静水压力为管道起末端的水力高差,水击压力按照0.2MPa控制。通过综合考虑管道的最大设计压力为1.9MPa。
2. 水力学计算
本管道工程水力学计算内容包括:管道过流能力、水头损失、管道压力线和水锤影响分析。
2.1 过流能力和水头损失计算。
由于本管道工程确定的方案为DN1000+DN900不同管径组合的方案,而且日输水量为50112m3,因此这一部分水力学计算的目的是在管道的平面布置和纵向坡度基本确定的情况下,为满足每日的最小输水量,最终选定输水管道的长度。
总的计算思路是在已知管道各种条件下,通过初步假定两种不同材料、不同管径的管道长度,计算两种管道的各自的雷诺数Re,选择相应的不同流态和流区的沿程阻力系数λ计算公式,然后根据计算得到的沿程阻力系数λ计算在设计流量条件下的管道的沿程水头损失∑hf ,同时计算管道的局部水头损失∑hj 。如果总水头损失∑(hf+ hj)小于总水头H,然后采用串联压力管的流量公式复核流量,直到复核流量和设计流量非常的接近,最终确定DN1000和DN900的管道具体长度,以及相应的水头损失。
计算过程中涉及的计算公式如下:
(1)雷诺数Re计算
Re=vDν
式中:Re ——雷诺数;
V——管道内流速(m/s) ;D ——管道过流断面直径(m);ν——不同水温时的运动粘滞系数(cm2/s)。
(2)水头损失h计算
h=∑hf+∑hj
∑hf =∑λj LiDiv22g
∑hj=∑ξiv22g
式中: H——总水头损失(m); ∑hf——总沿程损失水头(m);∑hj ——总局部水头损失(m); λj ——管道第i段沿程阻力系数;ξi :局部水头损失系数; Li——第i段管道长度 (m);Di——第i段管道直径(m)。
(3)压力管道过流能力计算
Q=vA=μA2gh
μ=11+∑λj LiDi(AAi)2+∑ξi(AAi)2
式中:μ——流量系数;A——出口断面横断面积(m2);Ai——第i断面横断面积(m2);
管道最终的水力学计算结果见表1。
表1 管道水力学计算汇总表
项目DN1000DN900
长度L(Km)138.858100.846
沿程阻力系数λ0.01790.0185
沿程水头损失hf69.15887.911
局部水头损失hj2.1071.979
总水头损失h(m)161.155
总水头H(m)162.65
剩余水头Δh1.495
2.2 压力线计算。
长距离有压重力输水管道通过地段的地形变化总是比较复杂,总水头损失也比较大,保证正常运行时有压管道任何点都不出现负压是非常重要的。管道内一旦出现负压,管中水流会产生气体释放,引发气蚀、断流水锤或管道长期积气运行,不仅影响管道运行安全,而且还可能造成管道供水能力达不到设计要求。而管道出现负压最明显的反映就管道的压力线位于管顶线以下。
计算压力线的基本理论依据是实际液体恒定总流的能量方程,即伯努立方程。公式如下:
H1=H2+hW
H1=z1+p1γ+α1v212g
H2=z2+p2γ+α2v222g
hw=∑hf +∑hj
式中: H1、H2——选择的计算断面处的断面总水头(m);
hw ——选择的计算断面间总水头损失(m);
z1、z2——选择的计算断面处的位置水头(m);
p1/γ、p2/γ——选择的计算断面处的压强水头(m);
p1/γ+z1、p2/γ+z2——选择的计算断面处的测压管水头(m);
α1 v21/2g、α2 v22/2g——选择的计算断面处的流速水头(m);
α1、α2 ——选择的计算断面处的动能修正系数。
可以令α1、α2 =1、 hw选择的计算断面间的总水头损失(m)、 ∑hf选择的计算断面间总沿程损失水头(m)、 ∑hj选择的计算断面间总局部水头损失(m)。
计算管道压力线时选择通过管道末端轴心高程736.350m的水平面为计算基准面0——0,计算中的位置水头、压强水头和测压管水头的数值均基于计算基准面。计算总水头为162.650m。
整个管线典型断面处的压力线计算结果见表2。
表2 典型断面压力线计算表
实际管长L(Km)管顶高程Hd(m)压强水头p/γ(m)位置水头Z(m)测压管水头p/γ+Z(m)测压管水头与管顶高程差值(m)
0946.52.972159.651162.6222.472
13.433941.1261.574154.277155.8511.074
28.800933.1151.656146.265147.9211.156
109.958790.164102.9513.315106.266102.451
138.858790.93387.5484.08491.63287.048
189.858785.26247.830-1.53846.29247.380
239.704786.8001.88101.8811.431
通过上面的计算公式校核已经布置完成的压力管道,最终的计算结果不仅要保证管道任意断面处的压力线高于此处管顶以外,而且这个高度还必须满足规范规定的要求,以保证管道对运行中可能出现的各种压力变化有一定的适应能力和管道上安装的进排气阀门的正常动作。
此输水管道在通过设计流量的条件下压力线计算结果是满足以上设计要求。
2.3 水锤影响分析及措施。
在压力管道中因流速剧烈变化,从而在管路中产生一系列的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象。因流速变化而产生的压力变化,其传递形式是通过机械波的形式传递的。水流流速的变化是产生水锤的根本原因。只要管道内流速发生变化,管道系统内的压力就会发生变化。水锤的大小和水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大,在同样的水流流速变化工况下,水锤愈大。水锤波在管道系统中起到非常重要的作用。
考虑水体和管壁弹性的水锤波速公式:
c=Ewg/γ1+2Ew/kr
k=Esδr2
式中:Ew——水的体积弹性模量和容重,单位:千克力/cm2、千克力/cm3;r——管道半径,单位:cm;k——抗力系数,对不同的管道取不同的数值;Es——管材的弹性模量,单位:千克力/cm2;δs——管道壁厚,单位:cm。
具体的水锤波速计算见表3。
表3 水锤波速计算表
项目单位DN1000DN900
Ew 千克力/cm22.1×1042.1×104
γ千克力/cm30.0010.001
δscm0.80.8
k672829.63
ccm/s(m/s)9.564×104(956.4)9.841×104(984.1)
DN1000和DN900输水管道计算后的水锤波速分别为956.4m/s 和984.1m/s。
通过计算分析该管道工程属于长距离低流速管道,理论计算正常关闭检修,水锤升压不高,但是如果因为意外积气,误操作等原因也可产生相当可观的水锤升压。防止意外水锤升压对管道的破坏而采取必要的措施是相当必要的。所采取措施就是减缓水在管道系统中流速的变化,降低机械波的传递速度,这样管道因为事故而产生的压力变化就会减弱,水锤影响就会得以控制。
重力波水锤的特点相对来说比较简单,主要体现在管道的关闭水锤上,即由于管道阀门的快速关闭,造成阀门前产生涌压。
针对本输水管道工程,为了防止由于事故关闭、误操作等原因造成的水锤破坏。在管道承受静水压力达到1.2MPa处,即管线94+458处设置减压稳压阀1台,其作用是降低阀后管道的运行工作压力,保证阀后管道在发生水锤时,管道总压力不超过2.0MPa。同时在管道末端239+704处设置流量调节阀1台,主、副阀各1台。控制流量调节阀的开启与关闭时间,减小因为流量变化产生的水锤影响。
3. 结论
本工程已于2008年全线通水,通过对管道监测结果的分析,其水力学指标与本次水力学计算结果基本相同。
[文章编号]1006-7619(2009)06-23-488
【关键词】输水管道;线路长;压力高;流速低;水力学
Long-distance water supply project in Xinjiang pipeline hydraulics calculation
Wang Zhe, Zhang Kang
(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute Urumqi Xinjiang 830000)
【Abstract】In view of long-distance water pipelines, long lines, high pressure, low flow rate, a pipe flow capacity, head loss, pipe lines and water hammer pressure of iMPact analysis.
【Key words】Aqueduct; Lines long; High pressure; Low flow rate; Hydraulics
1. 工程概况
该供水工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州若羌县境内,水源地位于米兰河以西,利用一字形分布在水源地内的取水井,通过水源地管道送到高位首部水池,然后经主管道途径戈壁滩、盐湖到达尾部蓄水池,其中供水主管道全长239.704Km,引水流量0.58m3/s,即50112m3/日。其中DN1000位于桩号0+000～138+858长度为138.858Km采用玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管,DN900位于桩号138+858～239+704,长度为100.846Km采用螺旋焊缝钢管。
输水管道工程所在起点地面高程为948.000m,终点地面高程为788.049m,总的地形高度差为160.251m,沿线地形总体上自首端坡向末端,通过管道的沿程、局部水头损失和管线压力线计算,输水管道具备有压重力输水的条件,全管道采用重力输水方式。
输水管道的设计压力为管道静水压力加水击压力。其中静水压力为管道起末端的水力高差,水击压力按照0.2MPa控制。通过综合考虑管道的最大设计压力为1.9MPa。
2. 水力学计算
本管道工程水力学计算内容包括:管道过流能力、水头损失、管道压力线和水锤影响分析。
2.1 过流能力和水头损失计算。
由于本管道工程确定的方案为DN1000+DN900不同管径组合的方案,而且日输水量为50112m3,因此这一部分水力学计算的目的是在管道的平面布置和纵向坡度基本确定的情况下,为满足每日的最小输水量,最终选定输水管道的长度。
总的计算思路是在已知管道各种条件下,通过初步假定两种不同材料、不同管径的管道长度,计算两种管道的各自的雷诺数Re,选择相应的不同流态和流区的沿程阻力系数λ计算公式,然后根据计算得到的沿程阻力系数λ计算在设计流量条件下的管道的沿程水头损失∑hf ,同时计算管道的局部水头损失∑hj 。如果总水头损失∑(hf+ hj)小于总水头H,然后采用串联压力管的流量公式复核流量,直到复核流量和设计流量非常的接近,最终确定DN1000和DN900的管道具体长度,以及相应的水头损失。
计算过程中涉及的计算公式如下:
(1)雷诺数Re计算
Re=vDν
式中:Re ——雷诺数;
V——管道内流速(m/s) ;D ——管道过流断面直径(m);ν——不同水温时的运动粘滞系数(cm2/s)。
(2)水头损失h计算
h=∑hf+∑hj
∑hf =∑λj LiDiv22g
∑hj=∑ξiv22g
式中: H——总水头损失(m); ∑hf——总沿程损失水头(m);∑hj ——总局部水头损失(m); λj ——管道第i段沿程阻力系数;ξi :局部水头损失系数; Li——第i段管道长度 (m);Di——第i段管道直径(m)。
(3)压力管道过流能力计算
Q=vA=μA2gh
μ=11+∑λj LiDi(AAi)2+∑ξi(AAi)2
式中:μ——流量系数;A——出口断面横断面积(m2);Ai——第i断面横断面积(m2);
管道最终的水力学计算结果见表1。
表1 管道水力学计算汇总表
项目DN1000DN900
长度L(Km)138.858100.846
沿程阻力系数λ0.01790.0185
沿程水头损失hf69.15887.911
局部水头损失hj2.1071.979
总水头损失h(m)161.155
总水头H(m)162.65
剩余水头Δh1.495
2.2 压力线计算。
长距离有压重力输水管道通过地段的地形变化总是比较复杂,总水头损失也比较大,保证正常运行时有压管道任何点都不出现负压是非常重要的。管道内一旦出现负压,管中水流会产生气体释放,引发气蚀、断流水锤或管道长期积气运行,不仅影响管道运行安全,而且还可能造成管道供水能力达不到设计要求。而管道出现负压最明显的反映就管道的压力线位于管顶线以下。
计算压力线的基本理论依据是实际液体恒定总流的能量方程,即伯努立方程。公式如下:
H1=H2+hW
H1=z1+p1γ+α1v212g
H2=z2+p2γ+α2v222g
hw=∑hf +∑hj
式中: H1、H2——选择的计算断面处的断面总水头(m);
hw ——选择的计算断面间总水头损失(m);
z1、z2——选择的计算断面处的位置水头(m);
p1/γ、p2/γ——选择的计算断面处的压强水头(m);
p1/γ+z1、p2/γ+z2——选择的计算断面处的测压管水头(m);
α1 v21/2g、α2 v22/2g——选择的计算断面处的流速水头(m);
α1、α2 ——选择的计算断面处的动能修正系数。
可以令α1、α2 =1、 hw选择的计算断面间的总水头损失(m)、 ∑hf选择的计算断面间总沿程损失水头(m)、 ∑hj选择的计算断面间总局部水头损失(m)。
计算管道压力线时选择通过管道末端轴心高程736.350m的水平面为计算基准面0——0,计算中的位置水头、压强水头和测压管水头的数值均基于计算基准面。计算总水头为162.650m。
整个管线典型断面处的压力线计算结果见表2。
表2 典型断面压力线计算表
实际管长L(Km)管顶高程Hd(m)压强水头p/γ(m)位置水头Z(m)测压管水头p/γ+Z(m)测压管水头与管顶高程差值(m)
0946.52.972159.651162.6222.472
13.433941.1261.574154.277155.8511.074
28.800933.1151.656146.265147.9211.156
109.958790.164102.9513.315106.266102.451
138.858790.93387.5484.08491.63287.048
189.858785.26247.830-1.53846.29247.380
239.704786.8001.88101.8811.431
通过上面的计算公式校核已经布置完成的压力管道,最终的计算结果不仅要保证管道任意断面处的压力线高于此处管顶以外,而且这个高度还必须满足规范规定的要求,以保证管道对运行中可能出现的各种压力变化有一定的适应能力和管道上安装的进排气阀门的正常动作。
此输水管道在通过设计流量的条件下压力线计算结果是满足以上设计要求。
2.3 水锤影响分析及措施。
在压力管道中因流速剧烈变化,从而在管路中产生一系列的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象。因流速变化而产生的压力变化,其传递形式是通过机械波的形式传递的。水流流速的变化是产生水锤的根本原因。只要管道内流速发生变化,管道系统内的压力就会发生变化。水锤的大小和水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大,在同样的水流流速变化工况下,水锤愈大。水锤波在管道系统中起到非常重要的作用。
考虑水体和管壁弹性的水锤波速公式:
c=Ewg/γ1+2Ew/kr
k=Esδr2
式中:Ew——水的体积弹性模量和容重,单位:千克力/cm2、千克力/cm3;r——管道半径,单位:cm;k——抗力系数,对不同的管道取不同的数值;Es——管材的弹性模量,单位:千克力/cm2;δs——管道壁厚,单位:cm。
具体的水锤波速计算见表3。
表3 水锤波速计算表
项目单位DN1000DN900
Ew 千克力/cm22.1×1042.1×104
γ千克力/cm30.0010.001
δscm0.80.8
k672829.63
ccm/s(m/s)9.564×104(956.4)9.841×104(984.1)
DN1000和DN900输水管道计算后的水锤波速分别为956.4m/s 和984.1m/s。
通过计算分析该管道工程属于长距离低流速管道,理论计算正常关闭检修,水锤升压不高,但是如果因为意外积气,误操作等原因也可产生相当可观的水锤升压。防止意外水锤升压对管道的破坏而采取必要的措施是相当必要的。所采取措施就是减缓水在管道系统中流速的变化,降低机械波的传递速度,这样管道因为事故而产生的压力变化就会减弱,水锤影响就会得以控制。
重力波水锤的特点相对来说比较简单,主要体现在管道的关闭水锤上,即由于管道阀门的快速关闭,造成阀门前产生涌压。
针对本输水管道工程,为了防止由于事故关闭、误操作等原因造成的水锤破坏。在管道承受静水压力达到1.2MPa处,即管线94+458处设置减压稳压阀1台,其作用是降低阀后管道的运行工作压力,保证阀后管道在发生水锤时,管道总压力不超过2.0MPa。同时在管道末端239+704处设置流量调节阀1台,主、副阀各1台。控制流量调节阀的开启与关闭时间,减小因为流量变化产生的水锤影响。
3. 结论
本工程已于2008年全线通水,通过对管道监测结果的分析,其水力学指标与本次水力学计算结果基本相同。
[文章编号]1006-7619(2009)06-23-488