阻断水锤传播的调压塔水力特性及其应用

doi:10.11988/ckyyb.20231434

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (10): 86-93.DOI: 10.11988/ckyyb.20231434

阻断水锤传播的调压塔水力特性及其应用

后小霞¹^,²(), 徐晓东³, 石韬⁴, 任坤杰¹^,², 辛福选³, 杨青远¹^,², 韩松林¹^,²()

¹ 长江科学院水力学研究所,武汉 430010
² 长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010
³ 内蒙古引绰济辽供水有限责任公司,内蒙古乌兰浩特 137400
⁴ 内蒙古自治区水利水电勘测设计院,呼和浩特 010020

收稿日期:2023-12-28 修回日期:2024-04-17 出版日期:2024-10-01 发布日期:2024-10-25
通讯作者: 韩松林(1986-),男,河南林州人,高级工程师,博士,研究方向为水工水力学和计算水力学。E-mail:slhan@hotmail.com
作者简介:
后小霞(1991-),女,甘肃渭源人,工程师,博士,研究方向为引调水工程过渡过程。E-mail:xxhouwh@whu.edu.cn
基金资助:
中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023317+SL)

Hydraulic Characteristics and Application of Cylindrical Surge Tower for Blocking Water Hammer Propagation

HOU Xiao-xia¹^,²(), XU Xiao-dong³, SHI Tao⁴, REN Kun-jie¹^,², XIN Fu-xuan³, YANG Qing-yuan¹^,², HAN Song-lin¹^,²()

¹ Hydraulics Department, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
² Key Laboratory of Ministry of Water Resources on River & Lake Regulation and Flood Control in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China
³ Inner Mongolia Chaoer-Liaohe River Diversion Water Supply Co., Ltd., Ulanhot 137400, China
⁴ Inner Mongolia Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Hohhot 010020, China

Received:2023-12-28 Revised:2024-04-17 Published:2024-10-01 Online:2024-10-25

摘要/Abstract

摘要：

安全可控的水锤压力是保障长距离有压输水工程稳定运行的必要条件,然而对于超长有压输水系统,还需要重点关注局部爆管等极端事故产生的超标水锤压强,其在全线蔓延导致整个输水系统瘫痪,可能引发次生危害。为解决极端水锤压力在整个输水系统传播的问题,首先提出一种阻断水锤传播的圆筒式溢流调压塔结构,通过将调压塔进水管竖直向上深入调压塔内部,形成圆筒式溢流调压塔,利用调压塔结构将进出水管道有效分割,以此阻断水锤的传播。随后通过模型试验和数值模拟方法分析了阻断式调压塔的水力特性,发现调压塔内流态均匀,溢流水体能在调压塔内充分消能后进入下游管线。最后将此调压塔应用于引绰济辽有压管线中,发现当管线出现局部爆管事故时,此调压塔能有效阻断负水锤的传播,避免水锤在全线蔓延,缩小事故影响范围。研究成果可为超长距离输水系统的水锤防护措施研究提供借鉴依据。

关键词: 超长有压输水系统, 过渡过程, 水锤防护, 阻断式调压塔, 水力特性

Abstract:

Safe and controllable water hammer pressure is a necessary condition to ensure the stable operation of long pressurized piping system. However, in ultra-long pressurized pipeline system, extreme accidents such as local pipe bursts may paralyze the entire system or lead to secondary disasters due to the widespread propagation of water hammer pressure throughout the entire pipeline.To address this issue, we introduce a cylindrical overflow surge tower designed to block water hammer propagation. The surge tower features a vertical inlet pipe, which effectively segments the pipelines and prevents water hammer from spreading. We analyzed the hydraulic characteristics of this surge tower using both model tests and numerical simulations. Our findings indicate that the flow patterns within the tower are uniform, and the overflow water dissipates sufficient energy before entering the downstream pipeline. Finally, we describe the application of this surge tower to the Chaoer River to Liaohe River Diversion Project. Results demonstrate that the surge tower effectively blocks the propagation of water hammer in case of local pipe bursts, thereby mitigating the negative impact of water hammer on the entire pipeline system. The findings offer valuable insights into protection strategies against water hammer for ultra-long pressurized piping systems.

Key words: ultra-long pressurized piping system, transient process, water hammer protection, blocking-up surge tower, hydraulic characteristics

中图分类号:

TV68

后小霞, 徐晓东, 石韬, 任坤杰, 辛福选, 杨青远, 韩松林. 阻断水锤传播的调压塔水力特性及其应用[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(10): 86-93.

HOU Xiao-xia, XU Xiao-dong, SHI Tao, REN Kun-jie, XIN Fu-xuan, YANG Qing-yuan, HAN Song-lin. Hydraulic Characteristics and Application of Cylindrical Surge Tower for Blocking Water Hammer Propagation[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2024, 41(10): 86-93.

图/表 17

图1 引绰济辽工程布置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the Chaoer River to Liaohe River Diversion Project

图2 原设计水锤防护布置示意图

Fig.2 Original design of protection against water hammer

表1 引绰济辽工程支线特性

Table 1 Branch pipeline parameters of the Chaoer River to Liaohe River Diversion Project

支线	长度/km	管径/mm	引用流量/(m³·s^-1)
突泉支线1	2.76	800	0.37
突泉支线2	1.00	1 200	1.00
科右中旗支线	19.51	1 400	1.29
扎鲁特旗支线	29.96	2 000	3.62
科左中旗支线	90.17	1 100	0.65
开鲁支线	2.50	900	0.65
经济技术开发区支线	33.22	1 800	2.55
科尔沁南区支线	41.25	2 400	4.49

图3 原设计方案在常规紧急工况和极端紧急工况下压力包络线分布

Fig.3 Pressure envelopes under normal emergencies and extreme emergencies for the original design scheme

图4 阻断式调压塔结构示意图

Fig.4 Schematic diagram of blocking-up surge tower

表2 阻断式调压塔位置及尺寸特性

Table 2 Position and dimensions of blocking-up surge tower

调压塔编号	桩号	底部高程/ m	下溢高程/ m	外溢高程/ m	塔顶高程/ m	内塔内径/ m	外塔内径/ m
1^#	T141+903.57	259.80	273.5		285.1	5.2	11.0
2^#	T274+694	203.57	236.5	239.5	242.0	5.2	11.0
3^#	T318+400	207.46	215.0	218.0	221.0	5.2	11.0

图5 阻断式调压塔方案水锤防护设施布置简图

Fig.5 Layout of protection facilities against water hammer for blocking-up surge tower scheme

图6 物理模型试验照片

Fig.6 Photo of physical model test

图7 阻断式圆筒调压塔三维模型

Fig.7 Three-dimensional model of blocking-up surge tower

表3 过渡过程计算工况

Table 3 Calculation working modes of transient process

工况分类	计算工况	工况说明
常规过渡过程工况	主线控制阀关闭	支线阀门始终关闭,主线阀门2 400 s内关闭
常规过渡过程工况	所有支线阀门同时开启	各支线阀门同时开启到设计流量开度
爆管极端事故过渡工况	1^#—2^#调压塔之间管线低处爆管	爆管面积从600 s内发展到管道断面大小
爆管极端事故过渡工况	2^#—3^#调压塔之间管线低处爆管	爆管面积从60 s内发展到管道断面大小

图8 常规过渡过程工况水头包络线

Fig.8 Head envelopes in conventional transient processes

图9 爆管极端事故工况水头包络线

Fig.9 Head envelopes in pipe-burst extreme conditions

图10 内塔自由出流工况下流态分布云图

Fig.10 Nephogram of fow pattern distribution under free flow conditions of the inner-tower

图11 模型试验流态分布

Fig.11 Flow distribution of blocking-up surge tower of model test

图12 下游管线气泡聚集与排放分布

Fig.12 Bubble aggregation and emission in downstream pipelines

图13 内塔淹没出流、外塔自由出流工况流态分布云图

Fig.13 Nephogram of flow pattern distribution under submerged discharge in inner-tower while free flow in outer-tower

图14 调压塔塔底压力分布

Fig.14 Pressure distribution at the bottom of the blocking-up surge tower

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