调压塔对长输管线水击压强消减作用

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  摘要:随着社会的发展,人们生活水平的提高,日常生活与生产中对水的需求量越来越大。所以,输水工程的建设越来越受到人们的关注。我国的地域条件比较特殊,这对输水规模的影响比较大,增加了输水工程的建设难度。如何避免水击事故并且尽量降低水击压强,成为当前重点关注的问题。本文重点分析了调压塔对长输管线水击压强消减作用,并且结合实际情况,加强调压塔的作用,提高输水工程的质量与安全性。
  关键词:调压塔;长输管线;水击压强;消减作用
  随着社会的发展,对于水的需求量是越来越大的,但是在目前的输水工程的建设中,存在很多的问题。由于受地域条件的影响,在输水过程中,水力瞬间变化会激增管道的压力,这种压力会使输水管爆裂发生水击事故,水击事故不仅会造成很大的经济损失,同时也带来了严重的安全问题,严重影响输水工程建设的发展。调压塔在长输管线水击压强方面所起的消减作用,在一定程度上避免了水击事故的出现,并且也增加了工程的安全性。
  1 调压塔简介及消减原理
  调压塔主要在水力瞬变过程中降低由于突然的变化带来的水击压力,从而实现在水力过渡过程中控制管道的水击压力,并且保护机组运行条件。调压塔在一定程度上还可以改善水轮机的调节特性。调压塔在长输管线水击压强消减方面有着很大的作用,并且在运行过程中的可靠性较高,在水力瞬变过程中已经被广泛应用。
  调压塔主要分为单向调压塔和双向调压塔。双向调压塔中的缓冲式水锤保护设备,不仅拥有补水功能,而且还有泄水功能。在双向调压塔中,当管道压力降低时,可以迅速向管路中注水,从而增强管道中的压强,防止由于压强过低使得真空环境造成管道水柱分离,对输水管造成影响。而相应的,当管路中的压力升高时,此时双向调压塔就会发挥其泄水功能,降低管路中的压力。双向调压塔的结构是比较简单的,可以为工作的进行带来很多的便利,而且对于双向调压塔中的设备后期管理维修工作比较少,提高了工程的效率。双向调压塔为了在水力波动时保证塔内的水位波动不大,一般需要较大的体积,这样可以有足够的断面积,从而也提高工作的可靠性。但是双向调压塔所要求的高度比较大,在工程建设方面所需的成本比较高,而且施工的难度也比较大,所以难免也会产生一些问题。
  双向调压塔一般分为圆筒式调压塔、阻抗式调压塔、双室式调压塔和差动式调压塔四种类型,每种类型都有其特殊的作用。最为简单的调压塔是圆筒式调压塔,其结构是相对简单的,在低水头的输水工程中应用较为广泛。圆筒式调压塔自上而下都有相同的横截面积,对于水锤的反射有相对较好的效果。可是,圆筒式的调压塔,在塔中所造成的水体波动比较大,对塔内所造成的影响较大。相较于圆筒式调压塔,阻抗式调压塔通过将塔底部缩小,并且形成一个短管与主管道连接,这样在调压塔的底部就会存在一种阻力,从而可以降低水体的整体波动性,并且也保证塔内水位波动较小。但是,由于阻抗式调压塔塔底结构的改变,就不具备圆筒式调压塔发射水波效果较好的作用。双室式调压塔分为上下两个储水室,两者共同发挥着作用,当输水管中压力增大时,就通过上室蓄水降低压力,相应的,当输水管中压力降低时,此时下室就会通过补水,实现压力的增高。双室式调压塔在上下两室之间还有一个用于连接两者的竖井,这种结构的调压塔在水头较高、水库的工作深度较大的水利工程建设中的应用比较广泛。差动式调压塔由内外两个同心圆筒、升管、溢流堰与底部的阻力孔组成。底部的阻力孔主要用于管道压力升高所引起的调压塔中水位迅速上升现象。而且当内筒水位较高,并且超过溢流堰时,此时多余的水就会溢出溢流堰流到外筒,从而保证水位的高度是保持在一个定值的。
  对于易产生水柱分离的峰点、漆点、驼峰以及鱼背等的输水管线来说,单向调压塔是比较适用的,在这其中单向调压塔可以很好的发挥防止管道负压以及消减断流弥合水锤的作用。相比于双向调压塔,单向调压塔的体积是比较小的,并且对于水流的方向是单向的,只允许水流从塔内流入管网中。通常在正常工作时,单向调压塔的止回阀是关闭的,此时主要让注水管向水箱内充水,当水位达到指定标准后,浮球阀就会使注水停止。当水击波来的时候,此时止回阀会迅速打开,使得水流从塔内流出,足够的水通过主水管利用势差能注入管道中,从而避免水击事故的发生,提高输水工程建设的安全性。
  2 水击基本理论与调压塔的水体震荡
  2.1 水击现象的分析
  在水流过程中,管路中的瞬变流现象是比较常见的,同时也是輸水工程中重点关注与需要解决的。水流过程中瞬变流现象的产生,会形成较大的压力变化,这种压力变化会以波的形式在管道中传播,这就是水击现象。在输水过程中,水击波传播速度是比较快的,对管道所造成的影响比较大,并且会受管道的厚壁、材料的弹性等因素的影响。对水击现象的分析过程中,主要是对水可压缩性的分析。
  在变压作用下要为了更好的对水击现象进行分析,就必须考虑管壁的弹性和水的可压缩性,并且在对弹性水柱的分析中,可以结合对比刚性水柱理论,在一定程度上,这两者是有共同点的,可以帮助工作更好的进行。管道的厚壁和材料的弹性对水击波的传播速度影响是比较大的,通过一系列的研究结果表明,管壁越薄,而且富有弹性的大口径金属管对水击的降低越有利。
  在水击现象的研究过程中还有对直接水击与间接水击的研究与对比。直接水击更多的是一种阀门瞬间关闭的理想状态,在实际操作过程中是很难实现的,而在这个过程中,可以将阀门缓慢关闭过程看为一系列瞬间关闭的叠加,在这个过程中每一个瞬间关闭对于流速的影响是比较小的,而且这种微小的变化,所产生的水击波也是比较小的,从而也形成微小压力的变化梯度。间接水击波主要通过阀门来控制并且减缓水击的影响,在实际的操作过程中,主要通过合理的参数,减少直接水击现象的产生,从而实现调压塔对长输管线水击压强消减作用。在这个过程中,关阀时间对水击波也是有一定影响的,为了降低水击波对输水管道的冲击力,需要尽量延长关阀时间,使得水击波进行合理的叠加,对较强的水击波可以起到一种缓冲作用。另外,为了减小水击波的周期,可以在输水管道工程建设时,通过对管线中设置调压塔、空气管的稳压装置来缩短管道的长度,从而可以减缓水击现象所产生的压力。   2.2 调压塔的水体震荡
  调压塔的水体震荡现象主要是发生在塔与蓄水池之间的一种来回往复的震荡现象,此时水击波与管道中音速的速度传播是比较接近的。调压塔的水体震荡与U形管中的水面震荡是比较类似的,震荡的速度比管道中的水击波要慢,但是震荡周期相对于较快。
  调压塔一般设置在蓄水池与产生水力瞬变的波源之间,水击波由波源传播到调压塔的过程中,与调压塔内水位有较大的关系,此时塔内的水位受塔内的压力而变化,并且水位在调压塔的调节下实现较为科学、合理的工作体系。调压塔的合理设计,主要是确定调压塔的高程与震荡的衰减频率和速度。在这其中,衰减的频率是很重要的,并且这种衰减频率还影响着阀门的重复开闭频率,一般情况下,如果衰减频率与阀门的重复开闭频率相同时,可以最大程度的发挥调压塔的作用,并且还可以降低塔内水位的震荡幅度。如果调压塔的设计合理,那么可以减少大量弃水的产生,促进输水工作的正常进行,从而也为输水工程的建设提供有利条件。
  3 调压塔对水击压力的消减作用
  调压塔对水力瞬变过程所产生的压力有消减作用,调压塔主要起缓冲作用,通过补水与泄水过程来实现对管道压力的调节,保证输水工作的正常进行,减少水击事故。
  3.1 简单模型的建立
  水锤的简单模型建立是重要的一部分,水锤的计算主要用的是特征线法,计算机的快速发展在社会生产中有很大的影响力,并且计算机性能的提高,为各种工作的进行提供了很多的有利条件。特征线法是计算机在输水建设工程中的有效应用,提高了水锤建设的精确度,并且也相应的提高了计算效率。在对水锤进行计算的过程中,将水击基本方程式转化为了便于计算机运算的有限差分方程,对于具体的管路系统,只需要对相应的边界条件和参数数据进行改变,就可以快速准确的进行所需模型的计算。
  为了分析调压塔对管线中水击压强的消减作用,简单的水力系统由管线、上游端水库、调压塔、产生水击激励的阀门四个部分组成,由这几个部分构成一个简单的动态运作的模型,从而用该模型来探究调压塔对长输管线水击压强消减作用。在这个研究过程中,可以得出的是不同的阀门其过流曲线是不同的,同时所得到的水击波的变化规律也不相同。
  3.2 调压塔对水击波压力影响分析
  主要通过在有无调压塔的情况下,通过对管路的水利特性的分析,从而分析调压塔对水击的消减作用。
  当没有调压塔时,通过对压强变化的分析,可以发现离阀门端越近,其压强是越大的。主要原因是因为,在离水库越近的地方,其所要阻挡的水体是比较少的。在实际的过程中,主要是间接水击在发挥作用,在离水库较近的地方,前面产生的波还未到达前端时,后面产生的波就会与前面产生的负压波的作用相互抵消,所以靠近阀门的节点处的管道受到的水击压力是比较大的。
  当在输水过程中,有调压塔时,设置在中间位置的调压塔就会起到稳压面的作用,在水击波的传播过程中,会受到调压塔的消减作用,与在水库时的传播效果是一样的,而且在调压塔的设置中,管线的长度作了重新的调整,相较于之前长度减少了一半,在负压波到达阀门端时,由于正负叠加水击压强作用被消减。
  3.3 改变调压塔的位置所带来的影响
  调压塔对长输管线水击压强是有着消减作用的,在水击的产生与传播过程中,不仅要考虑流速的变化与阀门关闭速度的问题,还需要注意调压塔的位置对水击压强消减作用的影响。
  在研究过程中主要改变的是调压塔与阀门的距离,从而通过对比分析来得出调压塔位置对水击压强消减作用的影响。通过分析可以得出的是,当调压塔越靠近阀门处时,末端阀门处的管段的最大压力越小,并且此时所产生的震荡的幅度也越小。同时还可以发现水击波影响的管线的长度对水击波也有很大的影响,水击波影响的管线的长度越小,对水击的消减效果越好。通过结论可以得出,为了更好的消减水击波的危害,取得更好的输水效果,可以将调压塔设置在靠近下游水击波产生的末端处。
  4 影响水击的管网参数初窥
  4.1 管道的长度对水击压强调节的影响
  管道的长度主要对管道中的水击波来回的整体时间有很大的影响,从而也对水击波的周期有一定的变化。随着管线长度的增加,管道最大水击压力的值是下降的。对于水击波的周期来说的,管道的长度越长,水击波的周期也相应变长,而且与此同时关阀的时间是在减少的,这样就使得间接水击向直接水击靠近。在长输管线中,可以通过慢关阀门来更好的减小水击压力。
  4.2 管道管径对水击压强调节的影响
  管道管径在流量不变的情况下,主要是对管道中水体的流速会产生影响,通常情况下,管径越大,水体的流速越小。管道管径对水击压强调节的影响,对减少关阀引起的水击压力也有较为明显的作用。
  4.3 水库水位高度与水击压强的作用
  水库的水位高度表示的是管网中的高程差,对于整个输水系统都有较为重要的影响。当水库水位变高时,管道中的压力也会随之升高,同时压强的波动幅度也会升高。水库水位高度的细微变化,都会对整个输水系统的管道中的压强有很大的影响,所以,在调压塔设置中,一定要注意水库水位高度的合理性。
  4.4 调压塔截面积对水击压强的影响
  调压塔截面积主要是对水击压强稳定性会产生影响。如果调压塔的截面积比较大,那么在水击波来回震荡的过程中,所产生的水面起伏也是比较小的,这样压强是较为稳定。所以,当调压塔的截面积比较大时,对于长输管线水击压强消减效果是不理想的。所以,在调压塔截面积对于水击压强的影响方面,要注意适当减小调压塔的截面积,使得几何尺度与管道截面积相当,充分发挥调压塔对长输管线水击压强的消减作用,保证输水工程的正常进行,满足社会发展的需要。
  5 总结
  随着社会的发展,当前发展的重点就是满足社会对于水的需求量,在這个过程中,需要解决的重点就是在输水过程中所造成的水击事故与水击压强。水击压强是受很多因素影响的,文章作了重点的分析,可是在对长输管线水击压强消减过程中,调压塔发挥着重要的作用。在实际调压塔的设置过程中,一定要注意调压塔位置的合理性,尽量减小调压塔对水击压强的影响。在这个过程中,也要重点注意管道长度对水击压强的影响,最大程度的避免水击事故的发生,提高输水工作的安全性与可靠性。
  参考文献:
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