具有多个调压井的长输管线水击波动过程优化控制

在长距离输水工程中存在着许多的技术难题，特别是在有多个调压井和调压调流阀共同进行调节过程中的管线安全和优化控制问题更是极具实际意义的课题。本课题将波动方程在有限区间内的行波解应用于线性水击波动问题中，侧重研究带有多个调压井的长距离输水管线水击波动过程，建立适合行波法分析的调压井水位振荡边界条件，发展基于行波法的水击波动过程解析解，同时通过摄动法将摩阻变化进波动方程中，得到阀门关闭过程中管道内无因次水击压强的精确解析解。应用Ritz法求解泛函极值，得到最优关阀规律。通过在管线中部设置调节阀，与管线末端调节阀联动，利用关阀时间和关阀规律不同产生的正、负水击波互相抵消来削弱水击压强，达到安全防护的目的。同时利用波动方程的精确解析解来对水击波动过程中的多阀联动以及合理设置调压井位置进行分析，为长距离输水管线的水击计算、安全防护和优化控制提供数值预报技术。

长距离输水工程通常是在几十公里以外甚至更远的水源取水，沿途地形起伏往往较大，其有压管道在充水、突然关阀和停泵等事故工况下，很容易发生水击事故。科学合理地进行水击波动过程计算，并选择适合的水击安全防护措施意义重大。. 项目基于数学物理方法中波动方程的达朗贝尔行波法，对线性水击过程进行分析，将其压强和速度边界条件进行解耦后，根据不同定解条件在国内首次构造得到多阀联动线性水击问题有限区间的达朗贝尔行波解。同时利用摄动法将管线实际摩阻转化为线性摩阻，根据实际阀门的阻力特性曲线，通过Ritz法求解泛函极值得到其优化参数，利用此最优关阀规律曲线关闭阀门，从而对将最大水击压强进行有效地优化控制。. 利用管线中部阀门产生的负压波与末端阀门产生的正压波叠加，就会削弱管线中的整体水击波动程度。通过对单、双阀阀不同关闭策略、最佳安装位置和最佳关闭时间进行优化分析，可使管线中最大水击压强最小，达到水击防护的目的。抗水锤压力罐对保护水泵及管线免受水锤压力波的破坏非常有效，通过建立抗水锤压力罐与逆止阀组合防护的压力罐参数优化模型，可指导压力罐的各项参数选择并得到其对应水击工况下管线的压力波动情况。同时模拟了存在冲击气团时的压力波动情况，为计算对水击防护措施的影响提供了依据。. 调压井的合理设置可以对水击波产生非常好的截断作用，但前提是调压塔的位置和形式需要进行合理的设置。模拟得到了多个调压井在长输管线的不同位置时管线中各点水击波动情况，获得了其流量和压强的振荡曲线。分析可知调压井离水击防护措施距离越近时，压强的振荡幅度越小，对水击的消减效果更好；当多个调压井共同设置时，管线内水击压强和流量变化幅度明显减小。通过在实际长输管线中设置多个调节阀、调压井和压力罐对水击波动过程进行模拟可知，上述防护方案都可以实现对水击波动过程的消减，满足水锤防护需求，但是不同方案水锤防护效果、水质是否容易污染、造价问题、可靠性等条件决定了最终的水击防护和优化控制方案的选择。